Mặt Trời tưởng như đang bốc cháy, nhưng sự thật lại không phải vậy

Khi nói về Mặt Trời, chúng ta thường nghe những cách diễn đạt như “Mặt Trời đang cháy” hay “Mặt Trời đang bốc lửa”. Tuy nhiên, xét dưới góc độ vật lý, cách mô tả này hoàn toàn không chính xác. Mặt Trời không cháy theo nghĩa thông thường và cũng không cần oxy để duy trì trạng thái phát sáng.

Các vụ phun trào khối lượng vành nhật hoa được Đài quan sát Động lực học Mặt Trời của NASA ghi lại vào tháng 6/2013. Nguồn: NASA/SDO

Trong hàng nghìn năm, con người từng tin rằng Mặt Trời phải được tạo thành từ một dạng vật chất nóng bỏng nào đó đang cháy. Các giả thuyết cổ đại từng cho rằng sức nóng và ánh sáng của Mặt Trời có thể bắt nguồn từ kim loại nóng chảy hoặc thậm chí từ than đá đang cháy. Nói cách khác, Mặt Trời được hình dung như một quả cầu lửa khổng lồ giữa không gian.

Nhưng khi khoa học về hóa học và nhiệt động lực học phát triển, các nhà khoa học vào thế kỷ 19 bắt đầu nhận ra một vấn đề nghiêm trọng: không có dạng năng lượng hóa học nào đủ khả năng duy trì hoạt động của Mặt Trời trong thời gian dài như vậy.

Nếu Mặt Trời thực sự chỉ là một khối vật chất đang cháy theo kiểu phản ứng hóa học, nó sẽ không thể tỏa sáng trong hàng tỷ năm. 

Một “lò phản ứng” tự nhiên tồn tại hàng tỷ năm

Khác với than đá cháy trên Trái Đất, nhiên liệu của Mặt Trời không phản ứng hóa học với oxy. Nguồn năng lượng của Mặt Trời đến từ một quá trình hoàn toàn khác: phản ứng nhiệt hạch hạt nhân.

Ở sâu trong lõi Mặt Trời, nhiệt độ và áp suất đạt mức cực kỳ lớn. Trong môi trường khắc nghiệt này, các hạt nhân hydro có thể tiến đủ gần nhau để xảy ra quá trình hợp hạch, tạo thành heli và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.

Có thể hình dung đơn giản rằng Mặt Trời đang liên tục biến hydro thành heli. Chính quá trình này tạo ra phần lớn nhiệt và ánh sáng mà chúng ta nhận được trên Trái Đất.

Đây là điểm khác biệt căn bản giữa “cháy” theo nghĩa thông thường và phản ứng nhiệt hạch. Khi một khúc gỗ cháy, các nguyên tử trong vật chất kết hợp với oxy thông qua phản ứng hóa học và giải phóng năng lượng. Trong lõi Mặt Trời, vấn đề lại nằm ở chính hạt nhân nguyên tử. Các hạt nhân hydro được hợp nhất để tạo thành heli, đồng thời một phần khối lượng được chuyển hóa thành năng lượng theo nguyên lý nổi tiếng của Einstein.

Chính vì vậy, Mặt Trời không cần oxy để “duy trì ngọn lửa”. Trên thực tế, nếu không có oxy, một ngọn lửa thông thường sẽ tắt, nhưng các phản ứng nhiệt hạch trong lõi Mặt Trời vẫn tiếp tục diễn ra.

Mặt Trời có thực sự đang “tiêu thụ nhiên liệu”?

Đến đây, một câu hỏi khác xuất hiện: nếu Mặt Trời không cháy nhưng vẫn sử dụng hydro làm nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch, chẳng phải nó vẫn đang tiêu thụ nhiên liệu hay sao?

Câu trả lời là có.

Mặt Trời thực sự đang tiêu hao một phần khối lượng của mình để tạo ra năng lượng. Các nhà thiên văn học ước tính quá trình nhiệt hạch khiến Mặt Trời mất khoảng 4,26 triệu tấn khối lượng mỗi giây, tương đương khoảng 140 triệu tỷ tấn mỗi năm.

(Chiêm ngưỡng những đợt bùng phát Mặt Trời ngoạn mục tạo nên hiện tượng cực quang. Hình ảnh từ Đài quan sát Động lực học Mặt Trời (SDO) của NASA. Nguồn video: BBC Global/NASA)

Con số này nghe có vẻ khổng lồ, nhưng khi đặt cạnh tổng khối lượng của Mặt Trời, nó lại cực kỳ nhỏ.

Mặt Trời có khối lượng khoảng 2 octillion tấn, tức khoảng 2×10³⁰kg. Vì vậy, lượng khối lượng bị mất mỗi giây do phản ứng nhiệt hạch chỉ tương đương khoảng 0,000000007% tổng khối lượng của Mặt Trời.

Điều này cho thấy tại sao Mặt Trời có thể duy trì hoạt động trong thời gian dài đến vậy. Dù liên tục chuyển đổi vật chất thành năng lượng, tỷ lệ hao hụt khối lượng của nó vẫn rất nhỏ so với tổng khối lượng khổng lồ của ngôi sao.

Mặt Trời sẽ không “cạn nhiên liệu” trong thời gian gần

Tuổi thọ của Mặt Trời là một trong những minh chứng ấn tượng nhất cho sức mạnh của phản ứng nhiệt hạch. Ngôi sao của chúng ta đã tồn tại khoảng 4,6 tỷ năm và dự kiến vẫn còn tiếp tục duy trì phản ứng nhiệt hạch trong lõi thêm khoảng 5 tỷ năm nữa.

Điều đáng chú ý là ngay cả khi tiến đến cuối giai đoạn hiện tại, Mặt Trời vẫn chưa mất đi phần lớn khối lượng ban đầu.

Theo các tính toán, vào khoảng 5 tỷ năm nữa, Mặt Trời vẫn sẽ giữ khoảng 99,966% khối lượng hiện tại. Nói cách khác, dù đã liên tục “tiêu thụ” nhiên liệu trong hàng tỷ năm, phần khối lượng bị chuyển hóa thành năng lượng vẫn chỉ chiếm một tỷ lệ cực kỳ nhỏ.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa Mặt Trời sẽ mãi mãi duy trì trạng thái hiện nay. Vấn đề lớn nhất trong tương lai không phải là toàn bộ khối lượng của Mặt Trời biến mất, mà là lượng hydro trong lõi dần cạn kiệt. Khi nguồn hydro cần thiết cho chuỗi phản ứng nhiệt hạch chính suy giảm, cấu trúc và quá trình tiến hóa của Mặt Trời sẽ thay đổi mạnh.

Khoảng 5 tỷ năm nữa, Mặt Trời dự kiến sẽ bước sang giai đoạn sao khổng lồ đỏ, mở đầu cho một chương hoàn toàn khác trong lịch sử của ngôi sao trung tâm Hệ Mặt Trời.

(Theo BBC Global, Skyatnightmagazine, iflscience)