Sự hình thành và tiến hóa của hệ Mặt Trời

Sự hình thành và tiến hóa

• Hệ Mặt Trời hình thành từ sự suy sụp hấp dẫn của một đám mây phân tử khổng lồ cách đây 4,568 tỷ năm trước. Đám mây tổ tiên này có kích cỡ vài năm ánh sáng và có khả năng một vài ngôi sao đã sinh ra từ đám mây này. Tinh vân Mặt Trời có khả năng hình thành từ mảnh vụn của vụ nổ sao siêu mới thế hệ trước.
• Khi vùng mà trong tương lai sẽ trở thành hệ Mặt Trời, gọi là tinh vân tiền Mặt Trời, suy sụp, theo định luật bảo toàn động lượng thì đĩa tinh vân này sẽ quay nhanh hơn. Vùng trung tâm, nơi tập trung nhiều khối lượng nhất, sẽ trở lên nóng hơn so với đĩa quay xung quanh.Khi tinh vân này co lại và quay nhanh hơn, nó trở lên phẳng hơn và hình thành đĩa tiền hành tinh quay quanh tâm với đường kính gần 200 AU và một vùng trung tâm nóng, đậm đặc chứa tiền sao. Ở thời điểm này trong sự tiến hóa của nó, Mặt Trời được cho là ngôi sao thuộc kiểu sao T Tauri. Việc nghiên cứu sao T Tauri cho thấy chúng thường đi kèm với một đĩa tiền hành tinh với khối lượng đĩa bằng 0,001–0,1 khối lượng Mặt Trời, và phần lớn khối lượng của tinh vân thuộc về ngôi sao. Các hành tinh hình thành từ sự bồi tụ từ đĩa này.
• Trong vòng 50 triệu năm, áp suất và mật độ của hiđrô trong lõi của tiền sao trở lên đủ lớn để bắt đầu thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân.Nhiệt độ, tốc độ phản ứng, áp suất và mật độ tăng cho đến khi đạt đến sự cân bằng thủy tĩnh, trong đó nhiệt năng cân bằng với lực hút hấp dẫn của chính ngôi sao. Ở giai đoạn này, Mặt Trời trở thành một ngôi sao thuộc dãy chính.
• Hệ Mặt Trời như chúng ta biết ngày nay sẽ còn tồn tại cho đến khi Mặt Trời kết thúc sự tiến hóa của nó trong dãy chính của biểu đồ Hertzsprung-Russell. Khi Mặt Trời bị giảm hiđrô nhiên liệu, nhiệt năng từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân bị giảm khiến cho Mặt Trời bắt đầu bị suy sụp. Sự suy sụp này làm tăng áp suất tại lõi, giúp cho quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra nhanh hơn. Kết quả là Mặt Trời tăng độ sáng với tốc độ khoảng 10 phần trăm trong mỗi 1,1 tỷ năm.
• Trong vòng khoảng 5,4 tỷ năm tới, hiđrô tại lõi Mặt Trời sẽ bị biến đổi toàn bộ thành heli, và Mặt Trời kết thúc giai đoạn ở dãy chính. Khi phản ứng tổng hợp hiđrô ngừng lại, lõi sẽ tiếp tục co lại, làm tăng áp suất và nhiệt độ, gây ra phản ứng tổng hợp heli. Heli bị tổng hợp trong một lõi nóng hơn và năng lượng giải phóng từ quá trình tổng hợp này sẽ lớn hơn so với quá trình tổng hợp hiđrô. Ở giai đoạn này, lớp bên ngoài của Mặt Trời sẽ mở rộng gấp 260 lần so với đường kính hiện tại; Mặt Trời sẽ trở thành sao khổng lồ đỏ. Vì sự tăng diện tích bề mặt khổng lồ của nó, bề mặt Mặt Trời sẽ lạnh hơn đáng kể so với khi nó ở dãy chính (lạnh nhất với nhiệt độ 2600).
• Thậm chí, heli tại lõi cũng sẽ cạn kiệt với tốc độ nhanh hơn so với hiđrô, và thời gian Mặt Trời tổng hợp heli chỉ bằng phần nhỏ so với thời gian của giai đoạn tổng hợp hiđrô. Mặt Trời có khối lượng không đủ lớn để tiếp tục thực hiện phản ứng tổng hợp các nguyên tố nặng hơn, và phản ứng hạt nhân tại lõi sẽ tắt. Các lớp bên ngoài sẽ bị thổi vào không gian, để lại sao lùn trắng, một thiên thể rất đậm đặc, có khối lượng bằng một nửa khối lượng Mặt Trời nhưng kích thước chỉ bằng kích thước của Trái Đất. Những lớp vật chất bị thổi vào không gian sẽ hình thành tinh vân hành tinh, trả lại môi trường liên sao vật liệu đã hình thành nên hệ Mặt Trời.

Vòng đời Mặt Trời

Lịch sử và phát triển

• Các hành tinh tính từ Sao Thổ vào đến Mặt Trời từng được các nhà thiên văn ngày xưa biết đến, họ quan sát sự di chuyển của những vật thể đó so với những vùng có vẻ đứng im gồm các ngôi sao. Sao Kim và Sao Thuỷ vốn đã được quan sát là hai vật thể riêng biệt dù có khó khăn trong việc kết nối "Sao hôm" và "Sao mai". Họ cũng biết rằng hai vật thể không phải một điểm, Mặt Trời và Mặt Trăng, di chuyển trên cùng một cái nền đứng im. Tuy nhiên, sự hiểu biết về trạng thái của những vật thể đó hoàn toàn thiếu chính xác.
• Trạng thái và cấu trúc của Hệ Mặt Trời vẫn còn bị hiểu biết chưa chính xác vì ít nhất là hai lý do. Trái Đất đã bị coi là đứng im, và sự di chuyển của các vật thể trên trời vì thế cũng chỉ là bên ngoài. Mặt Trời đã bị coi là quay quanh Trái Đất, giống như các hành tinh hay thiên thể khác. Quan niệm này về vũ trụ, với Trái Đất ở trung tâm, được goi là hệ địa tâm. Nhiều vật thể trong hệ mặt trời và các hiện tượng không được nhận thức đầy đủ nếu không có trợ giúp của kỹ thuật.
• Trong vài trăm năm qua, các tiến bộ về nhận thức và kỹ thuật đã giúp con người hiểu thêm nhiều về hệ mặt trời. Sự nhận thức đầu tiên và có tính nền tảng là cuộc cách mạng củaNicolaus Copernicus cho rằng các hành tinh quay quanh Mặt Trời - hệ nhật tâm - với Mặt Trời ở trung tâm. Điều đã gây sốc nhất và gây ra nhiều tranh cãi nhất không phải là việc Mặt Trời ở trung tâm mà là Trái Đất thuộc ngoại biên, và có quỹ đạo. Các hành tinh vốn chỉ bị coi đơn giản là các điểm trên bầu trời, nhưng nếu chính Trái Đất là một hành tinh, có lẽ những hành tinh khác, giống như Trái Đất, chỉ là những hình cầu to lớn và cứng chắc.
• Về mặt triết học, có một số sự chống đối thuyết nhật tâm. Tình trạng tự nhiên của các vật khoáng, nặng giống như Trái Đất được tin rằng sẽ nằm im. Các hành tinh được cho rằng được cấu tạo từ vật liệu riêng biệt, phù du (sớm nở tối tàn) và nhẹ. Mọi người từng tin rằng sự chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời làm cho không khí biến mất khỏi bề mặt. Nếu Trái Đất đang chuyển động, các nhà thiên văn học đã có thể quan sát thị sai của các ngôi sao, như việc các ngôi sao xuất hiện và thay đổi vị trí so với các vật thể ở xa hơn vì lý do Trái Đất thay đổi vị trí.
• Sự phát minh ra kính viễn vọng cho phép một sự tiến bộ căn bản về kỹ thuật trong việc khám phá Hệ Mặt Trời, với kính viễn vọng đã được cải tiến của Galileo Galilei đã cho phép nhiều lợi ích trong việc khám phá các vệ tinh của các hành tinh khác, đặc biệt là bốn vệ tinh lớn của Sao Mộc. Điều này cho thấy tất cả các vật thể trong vụ trụ không quay quanh Trái Đất. Tuy nhiên, có thể phát minh lớn nhất của Galileo là việc hành tinh Sao Kim có các pha giống như Mặt Trăng, chứng minh rằng nó phải quay quanh Mặt Trời.
• Sau đó, vào năm 1678, Isaac Newton dùng định luật vạn vật hấp dẫn của mình giải thích lực vừa giữ Trái Đất quay quanh Mặt Trời vừa giữ không khí không bị cuốn đi mất.
• Cuối cùng, năm 1838, nhà thiên văn Friedrich Wilhelm Bessel đã thành công trong việc đo đạc thị sai của ngôi sao 61Cygni, chứng minh một cách thuyết phục rằng Trái Đất đang chuyển động.
• Với sự khởi đầu thời đại vũ trụ, một thời đại vĩ đại trong thám hiểm đã được thực hiện bởi các chuyến thăm dò vũ trụ không người lái được tổ chức và thực hiện bởi nhiều cơ quan vũ trụ. Tàu thăm dò vũ trụ đầu tiên hạ cánh xuống một vật thể trong Hệ Mặt Trời là tàu thám hiểm Luna 2 của Liên Xô, nó hạ cánh xuống Mặt Trăng năm 1959. Từ đó, ngày càng có nhiều hành tinh khác ở xa hơn được khám phá, với việc tàu vũ trụ đáp xuống Sao Kim năm 1965, Sao Hoả năm 1976, tiểu hành tinh 433 Eros năm 2001, và vệ tinh Titancủa Sao Thổ năm 2005. Các tàu vũ trụ cũng đã tiến gần tới các hành tinh khác như Mariner 10 đi qua Sao Thuỷ năm 1973.
• Tàu vũ trụ đầu tiên khám phá các hành tinh vòng ngoài là Pioneer, bay qua Sao Mộc năm 1973. Pioneer 11 là tàu đầu tiên đến Sao Thổ năm 1979. Các tàu vũ trụ Voyager đã làm một cuộc hành trình vĩ đại đến các hành tinh vòng ngoài sau khi chúng được phòng lên năm 1977, với hai tàu bay qua Sao Mộc năm 1979 và Sao Thổ năm 1980-1981. Voyager 2sau đó tiến sát đến Sao Thiên Vương năm 1986 và Sao Hải Vương năm 1989. Các tàu Voyager hiện đang ở bên ngoài quỹ đạo của Sao Diêm Vương, và đến tháng 6 năm 2006, tàu Voyager 1 đã vượt qua ranh giới của Hệ Mặt Trời.
• Sao Diêm Vương vẫn chưa được thăm viếng bởi một tàu vũ trụ nào của con người dù việc NASA phóng tàu New Horizons vào tháng 1 năm 2006 có thể làm thay đổi điều này. Tàu dự tính sẽ bay qua Sao Diêm Vương vào tháng 7 năm 2015 và sau đó sẽ nghiên cứu thêm càng nhiều càng tốt về các vật thể trong vành đai Kuiper.
• Thông qua những vụ khám phá không người lái đó, con người đã có thể có những ảnh chụp gần hơn về đa số các hành tinh và trong trường hợp có thể hạ cánh, tiến hành các xét nghiệm về đất đá và khí quyển của chúng. Các cuộc thám hiểm có người lái, dù sao, cũng chỉ đưa con người tới được Mặt Trăng, trong chương trình Apollo. Lần cuối con người đáp tàu lên Mặt Trăng là vào năm 1972, nhưng những sự khám phá gần đây về băng trong những miệng núi lửa sâu ở các vùng cực của Mặt Trăng đã gợi nên ý tưởng suy đoán rằng tàu vũ trụ có người lái có thể quay lại Mặt Trăng trong thập kỷ tới hoặc sau đó. Chương trình phòng tàu vũ trụ có người lái đến Sao Hoả đã được dự đoán từ nhiều thế hệ những người yêu thích thiên văn. Châu Âu (ESA) hiện đang đặt kế hoạch phóng tàu có người lái khám phá Mặt Trăng và Sao Hoả như một phần của Chương trình thám hiểm Aurora được xác nhận vào năm 2001. Hoa Kỳ cũng có một chương trình tương tự gọi là Tầm nhìn Thám hiểm Vũ trụ năm 2004.