Trả lời bởi Ganesh Subramaniam, nhà thiên văn học nghiệp dư
—————————
Năm 1904, giáo sư vật lý Ernest Rutherford của Đại học McGill (Montreal, Canada) phát hiện ra rằng bức xạ alpha sinh ra khi một chất phóng xạ phân rã có chứa nguồn năng lượng rất lớn. Khám phá về chất phóng xạ hé lộ rằng nguồn gốc năng lượng của ánh sáng mặt trời có thể chính là từ năng lượng hạt nhân.
Tuy nhiên, các quan sát thiên văn sau đó cho thấy mặt trời không chứa nhiều chất phóng xạ mà chủ yếu lại là khí hydro. Hơn nữa, tỷ lệ chất phóng xạ chuyển đổi thành năng lượng lại không phụ thuộc vào nhiệt độ của Mặt Trời. Điều này mâu thuẫn với thực tế khi quan sát các ngôi sao khác, vốn cho rằng năng lượng mà một ngôi sao phát xạ có liên hệ mật thiết với nhiệt độ của nó. Những dữ kiện trên cho thấy trong năng lượng mà một ngôi sao phát ra phải có một điều gì khác ngoài chất phóng xạ.
Bước đột phá kế tiếp đến từ hệ quả của Thuyết Tương Đối Hẹp được Einstein công bố năm 1905: sự tương đương của khối lượng và năng lượng thể hiện qua phương trình lừng danh E = mc^2. Phương trình này nói rằng chỉ một khối lượng rất nhỏ cũng có thể chuyển hóa thành một nguồn năng lượng khổng lồ. Nhưng các nhà thiên văn học vẫn chưa nhận ra được sự liên kết giữa phương trình của Einstein với nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời. Câu trả lời không dễ dàng tìm ra như vậy. Mãi tới năm 1920, nhà vật lý người Anh F.W. Aston [1] mới phát hiện ra rằng bốn hạt nhân hydro nặng hơn một hạt nhân heli khi ông đo đạc chính xác khối lượng của nhiều nguyên tử khác nhau.
Tầm quan trọng trong các phép đo của Aston lập tức được nhà vật lý kiêm thiên văn học người Anh Arthur Eddington [2] nhận ra. Năm 1920, khi đang giữ chức Chủ tịch của British Association for the Advancement of Science (Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Anh), Eddington đã nói rằng phép đo về sự sai khác khối lượng giữa hydro và heli của Aston là bằng chứng cho thấy năng lượng của Mặt Trời đến từ phản ứng hợp hạch hydro thành heli. Theo phương trình quy đổi tương đương giữa khối lượng và năng lượng của Einstein, phản ứng hợp hạch này sẽ giải phóng khoảng 0,7% khối lượng của hydro thành năng lượng. Độ hụt khối này cung cấp đủ năng lượng cho Mặt Trời tỏa sáng trong khoảng 100 triệu năm.
Để cắt ngắn câu chuyện, một số nhà vật và thiên văn học gồm George Gamow, Atkinson, Houterman and C.F.Weizsaker đã giải quyết vấn đề này và dẫn tới mô hình hiện đại như ta biết ngày nay.
Bạn có thể cho rằng có thể còn một lý do gì đó mà ta chưa biết tới. Vậy thì làm cách nào để kiểm chứng giả thuyết rằng Mặt Trời tỏa sáng được là nhờ phản ứng hợp hạch hydro thành heli tận sâu trong lõi của nó? Thực ra không có cách nào để kiểm chứng trực tiếp cả. Ánh sáng (là các photon) mất khoảng 40.000 năm để đi từ lõi ra tới bề mặt của Mặt Trời (trước đây con số này được cho là có thể lên tới vài triệu năm), và khi đó chúng chỉ có thể nói cho ta biết về điều kiện của các lớp ngoài cùng ấy mà thôi. Tuy nhiên, vẫn có một cách để “nhìn” vào lõi Mặt Trời: neutrino. Tại lõi Mặt trời, proton sẽ hợp hạch thành hạt nhân của nguyên tử các nguyên tố nặng hơn, và giải phóng ra các hạt neutrino. Những phản ứng này được cho là bước đầu tiên để kích hoạt phản ứng dây chuyền sinh ra 99% năng lượng của Mặt Trời. Neutrino tương tác yếu với vật chất và truyền đi với tốc độ ánh sáng.
Bằng chứng đầu tiên mà tôi tin tưởng đến từ các neutrino của Mặt Trời. Mặt Trời sản xuất ra rất nhiều neutrino, vốn sinh ra từ chuỗi phản ứng hợp hạch proton-proton.
Neutrino được sinh ra tại lõi các ngôi sao khi các hạt nhân hydro hợp hạch thành heli. Neutrino cũng xuất hiện trên Trái Đất trong máy gia tốc hạt, phản ứng hạt nhân, và hiện tượng phóng xạ tự nhiên. Dựa trên công trình của nhà vật lý hạt nhân người Đức Hans Bethe và các đồng sự, giới khoa học tin rằng tại lõi các ngôi sao xảy ra quá trình hợp hạch của bốn hạt nhân nguyên tử hydro (1H, proton) tạo thành hạt nhân heli (4He, hạt alpha), hai positron (e+), hai neutrino (nu) và năng lượng. Quá trình này tạo ra năng lượng cho ngôi sao vì bốn hạt nhân hydro nặng hơn một hạt nhân heli (như Aston đã chỉ ra). Độ hụt khối này đã chuyển thành năng lượng. Những phản ứng hạt nhân như vậy không chỉ cung cấp năng lượng cho Mặt Trời mà còn sản sinh ra rất nhiều neutrino.
Phản ứng hạt nhân – nguồn gốc năng lượng khổng lồ của Mặt Trời – có hai nhiệm vụ chính: hợp hạch hydro thành heli và chuyển đổi độ hụt khối thành năng lượng.
