8 · Astrophysics

Vũ trụ và lịch sử của nó

Vũ trụ bao gồm hàng tỷ thiên hà; mỗi thiên hà chứa hàng tỷ ngôi sao; Mặt Trời là một ngôi sao trong Dải Ngân Hà. Lực hấp dẫn định hình mọi quỹ đạo, các ngôi sao sinh ra và chết đi theo mô hình được xác định bởi khối lượng của chúng, và hiện tượng dịch chuyển đỏ của các thiên hà xa xôi cho thấy toàn bộ vũ trụ đang giãn nở — bằng chứng về một khởi đầu: Vụ Nổ Lớn.

Edexcel International GCSE Vật lý 4PH1, Phần 8 (phát biểu 8.1–8.18P). Các phát biểu có hậu tố P là phần mở rộng chỉ dành cho Vật lý (Giấy thi 2P).

Chuyển động trong vũ trụ

Vũ trụ → hàng tỷ thiên hà → mỗi thiên hà chứa hàng tỷ ngôi sao → hệ mặt trời của chúng ta nằm trong Dải Ngân Hà. Cường độ trường hấp dẫn g thay đổi theo khối lượng và kích thước — yếu hơn trên Mặt Trăng, mạnh hơn trên Sao Mộc. Lực hấp dẫn giữ mọi quỹ đạo: mặt trăng quay quanh hành tinh, hành tinh và sao chổi quay quanh Mặt Trời, vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái Đất.

Quỹ đạo hành tinh gần như tròn; quỹ đạo sao chổi có độ lệch tâm cao — di chuyển nhanh gần Mặt Trời, chậm khi ở xa. Tốc độ quỹ đạo lấy từ chu vi ÷ chu kỳ:

Ví dụ minh họa. Một vệ tinh có bán kính quỹ đạo 7000 km (r đo từ tâm Trái Đất) với chu kỳ 5800 s: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ m/s ≈ 7.6 km/s.

Ví dụ mẫu (quỹ đạo của Mặt Trăng). Mặt Trăng quỹ đạo cách tâm Trái Đất 3.84 × 10⁸ m mỗi 27.3 ngày. Đầu tiên chuyển chu kỳ sang giây: $T = 27.3 \times 24 \times 3600 = 2.36 \times 10^6$ s. Sau đó $v = \dfrac{2 \times \pi \times 3.84 \times 10^8}{2.36 \times 10^6} \approx 1.0 \times 10^3$ m/s, khoảng 1.0 km/s, chậm hơn nhiều so với vệ tinh thấp.

Ví dụ minh họa (trọng lượng trên hành tinh khác). Một phi hành gia mass 70 kg có trọng lượng $70 \times 10 = 700$ N trên Trái Đất và $70 \times 1.6 = 112$ N trên Mặt Trăng ($g = 1.6$ N/kg). Khối lượng của họ là 70 kg ở cả hai nơi.

Sự tiến hóa của sao

Các ngôi sao được phân loại theo màu sắc, tương ứng với nhiệt độ bề mặt: màu xanh nóng nhất → màu đỏ mát nhất. Một ngôi sao giống như Mặt Trời trải qua giai đoạn: tinh vân → dãy chính (hòa tan cân bằng với lực hấp dẫn trong hàng tỷ năm) → sao khổng lồ đỏ → sao lùn trắng; một ngôi sao nặng hơn Mặt Trời rất nhiều (khoảng tám lần hoặc hơn khối lượng của Mặt Trời) trải qua: tinh vân → dãy chính → siêu sao khổng lồ đỏ → siêu tân tinh → sao neutron hoặc lỗ đen.

(P) Độ sáng của một ngôi sao được so sánh bằng độ tuyệt đối tại một khoảng cách chuẩn; biểu đồ Hertzsprung–Russell vẽ độ tuyệt đối theo nhiệt độ, với dãy chính, sao khổng lồ và sao lùn trắng là các dải chính.

Vũ trụ học (P)

Một nguồn sóng di chuyển làm thay đổi bước sóng quan sát được (dịch chuyển đỏ đối với sự lùi xa). Dịch chuyển đỏ của thiên gia tăng theo khoảng cách, và mối quan hệ này được định lượng hóa như sau:

Ví dụ minh họa. Một vạch quang phổ ở 500 nm xuất hiện ở 505 nm trong một thiên hà xa: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, do đó $v = 0.01c = 3000$ km/s.

Ví dụ minh họa (P) (dự đoán sự dịch chuyển). Một thiên hà đang di chuyển ra xa với vận tốc 6000 km/s. Một vạch quang phổ hydro phát ra ở bước sóng 656 nm bị dịch chuyển $\Delta\lambda = \lambda_0 \times \dfrac{v}{c} = 656 \times \dfrac{6000}{300\,000} = 13$ nm, do đó nó quan sát thấy ở khoảng 669 nm. Sử dụng cùng một đơn vị cho $v$ và $c$ (ở đây là km/s).

Dịch chuyển đỏ tăng theo khoảng cách cho thấy các thiên hà đang lùi xa với tốc độ ngày càng lớn — vũ trụ đang giãn nở, điều này gợi ý về một khởi đầu nóng và đặc: Vụ Nổ Lớn. Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) — những sóng vi sóng mờ nhạt từ mọi hướng — là phần dư đã nguội đi của bức xạ sơ khai đó, là trụ cột thứ hai của bằng chứng.

Lỗi thường gặp

• Đo bán kính quỹ đạo từ bề mặt hành tinh. $r$ là tính từ tâm; cần cộng thêm bán kính hành tinh vào độ cao.
• Để nguyên chu kỳ ở đơn vị giờ hoặc ngày trong $v = 2\pi r/T$. Phải đổi sang giây để tính m/s.
• Nói rằng phi hành gia trên Mặt Trăng có khối lượng ít hơn. Khối lượng không đổi; trọng lượng nhỏ hơn là do $g$ nhỏ hơn.
• (P) Nói rằng các thiên hà bị dịch chuyển đỏ trông có màu đỏ. Mọi vạch quang phổ đều dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn; màu sắc của thiên hầu như không thay đổi.
• (P) Chia cho bước sóng quan sát được. $\lambda_0$ trong $\Delta\lambda/\lambda_0$ là bước sóng đo được trong phòng thí nghiệm.
• Nói rằng mọi ngôi sao đều kết thúc bằng một lỗ đen. Một ngôi sao giống Mặt Trời kết thúc dưới dạng sao lùn trắng; chỉ những ngôi sao nặng hơn Mặt Trời rất nhiều mới trở thành sao neutron hoặc lỗ đen.

Tự kiểm tra

1. Sắp xếp theo thứ tự kích thước: thiên hà, hệ mặt trời, vũ trụ, ngôi sao.
2. Tại sao g khác nhau giữa Trái Đất và Mặt Trăng?
3. Nêu hai dạng quỹ đạo của sao chổi và hành tinh.
4. Tính tốc độ quỹ đạo của vệ tinh tại r = 42 000 km với T = 24 giờ.
5. Nêu hai giai đoạn sau trình chính cho một ngôi sao giống như Mặt Trời.
6. Màu sắc của một ngôi sao cho biết điều gì?
7. (P) Hai đại lượng nào được biểu diễn trên sơ đồ HR?
8. (P) Một vạch quang phổ ở 400 nm dịch chuyển sang 404 nm. Tính v/c.
9. (P) Nêu hai bằng chứng về Vụ Nổ Lớn.
10. (P) Tại sao sự dịch chuyển đỏ tăng lên theo khoảng cách?

Đáp án: 1 ngôi sao (nhỏ nhất) → hệ mặt trời → thiên hà → vũ trụ (lớn nhất); 2 g phụ thuộc vào khối lượng và bán kính của vật thể — Mặt Trăng nhỏ hơn và ít khối lượng hơn, nên g của nó khoảng 1.6 N/kg; 3 hành tinh — gần như tròn; sao chổi — elip có độ lệch tâm cao; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ m, $T = 86\,400$ s; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ m/s ≈ 3.1 km/s; 5 sao khổng lồ đỏ, sau đó là sao lùn trắng; 6 nhiệt độ bề mặt của nó — màu xanh nóng nhất, màu đỏ mát nhất; 7 (P) độ sáng tuyệt đối theo nhiệt độ (hoặc màu sắc); 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$; 9 (P) sự dịch chuyển đỏ của các thiên gia tăng theo khoảng cách, và bức xạ nền vi sóng vũ trụ; 10 (P) thiên hà càng xa thì càng lùi xa nhanh — bản thân không gian mở rộng, nên tốc độ lùi xa tăng lên theo khoảng cách, khiến ánh sáng dịch chuyển sâu hơn về phía đỏ.