Mặt Trời

Đặc điểm

Mặt Trời là một ngôi sao thuộc dãy chính màu vàng chiếm khoảng 99% tổng khối lượng Hệ Mặt Trời. Nó là một hình cầu gần hoàn hảo, chỉ hơi dẹt khoảng chín phần triệu, có nghĩa đường kính cực của nó khác biệt so với đường kính xích đạo chỉ 10 km (6 dặm). Bởi Mặt Trời tồn tại ở dạng trạng thái plasma và không rắn chắc do đó tốc độ quay (vận tốc góc) tại xích đạo nhanh hơn ở hai cực. Điều này được gọi là chuyển động không đồng tốc. Chu kỳ của chuyển động thực này xấp xỉ 25,6 ngày ở xích đạo và 33,5 ngày ở cực. Tuy nhiên, vì điểm quan sát thuận lợi luôn thay đổi khi Trái Đất quay quanh Mặt Trời nên chuyển động biểu kiến của ngôi sao này tại xích đạo là khoảng 28 ngày. Hiệu ứng ly tâm của chuyển động chậm này yếu hơn 18 triệu lần so với lực hấp dẫn tại xích đạo Mặt Trời. Hiệu ứng thủy triều của các hành tinh thậm chí còn yếu hơn, và không ảnh hưởng lớn tới hình dạng Mặt Trời.
Mặt Trời là một sao nhóm I, nhóm sao có nhiều nguyên tố nặng. Sự hình thành Mặt Trời có thể đã được bắt đầu từ các sóng chấn động từ một hay nhiều siêu tân tinh bên cạnh. Lý thuyết này được đưa ra do sự phong phú của nguyên tố nặng trong Hệ Mặt Trời, như vàng và uranium, nếu những sao có nhiều nguyên tố này thì gọi là Sao nhóm II (ít nguyên tố nặng). Các nguyên tố này theo khả năng có thể nhất đã được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân thu năng lượng trong một quá trình hình thành sao siêu mới, hay bởi sự biến đổi thông qua hấp thụ neutron bên trong một ngôi sao lớn thế hệ hai.
Cấu trúc của Mặt Trời không có ranh giới cụ thể như những hành tinh đá: ở phần phía ngoài của nó, mật độ các khí giảm gần như theo hàm mũ theo khoảng cách từ tâm. Tuy nhiên, cấu trúc bên trong của nó được xác định rõ ràng, như được miêu tả bên dưới. Bán kính Mặt Trời được đo từ tâm tới cạnh ngoài quang quyển. Đây đơn giản là lớp mà bên trên nó các khí quá lạnh hay quá mỏng để bức xạ một lượng ánh sáng đáng kể, và vì thế là bề mặt dễ quan sát nhất bằng mắt thường.
Phía trong Mặt Trời không thể được quan sát trực tiếp và chính Mặt Trời là vật chắn bức xạ điện từ. Tuy nhiên, tương tự như trong địa chất học sử dụng sóng do các trận động đất tạo ra để xác định cấu trúc bên trong của Trái Đất, ngành nhật chấn học (helioseismology) sử dụng các sóng ngoại âm (infrasound) đi xuyên qua phần trong Mặt Trời để đo và hình dung cấu trúc bên trong của ngôi sao. Mô hình máy tính về Mặt Trời cũng sử dụng một công cụ lý thuyết để xác định các lớp bên trong của nó.

Vùng bức xạ

Trong vùng từ 0,25 tới khoảng 0,7 bán kính Mặt Trời, vật liệu Mặt Trời đủ nóng và đặc đủ để bức xạ nhiệt chuyển được nhiệt độ từ trong lõi ra ngoài. Trong vùng này không có đối lưu nhiệt; tuy các vật liệu lạnh đi khi độ cao tăng lên (từ 7.000.000 °C tới khoảng 2.000.000 °C) làm gradient nhiệt độ này nhỏ hơn giá trị tỷ lệ khoảng đoạn nhiệt (adiabatic lapse rate) và vì thế không thể gây ra sự đối lưu. Nhiệt được truyền bởi sự bức xạ—ion của hydro và heli phát ra các photon, nó chỉ di chuyển một khoảng cách ngắn trước khi bị tái hấp thụ bởi các ion khác. Các photon thực tế bật lên rất nhiều lần xuyên qua vật chất đặc này tới mức một photon riêng lẻ mất khoảng một triệu năm để tới được lớp bề mặt, và vì thế, năng lượng chuyển ra ngoài rất chậm. Mật độ giảm sút hàng trăm lần (từ 20 g/cm³ xuống chỉ 0,2 g/cm³) từ đáy lên đỉnh vùng bức xạ.
Giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là một lớp chuyển tiếp được gọi là tachocline. Đây là vùng nơi có sự thay đổi mạnh giữa chuyển động xoay đồng tốc của vùng bức xạ và chuyển động chênh lệch của vùng đối lưu dẫn tới một sự trượt mạnh—một điều kiện nơi các lớp ngang giáp nhau trượt trên nhau. Các dạng chuyển động giống chất lỏng trong vùng đối lưu bên trên, dần biến mất từ đỉnh của lớp này xuống đáy của nó, phù hợp với các đặc điểm yên tĩnh của vùng bức xạ trên đáy. Hiện tại, có giả thuyết cho rằng một nguồn phát điện từ bên trong lớp này tạo ra từ trường của Mặt Trời.

Vùng đối lưu

Trong lớp ngoài của Mặt Trời, từ bề mặt nó xuống xấp xỉ 200.000 km (hay 70% bán kính Mặt Trời), plasma Mặt Trời không đủ đặc hay đủ nóng để chuyển năng lượng nhiệt từ bên trong ra ngoài bằng bức xạ. Vì thế, đối lưu nhiệt diễn ra khi các cột nhiệt mang vật liệu nóng ra bề mặt (quyển sáng) của Mặt Trời. Khi vật liệu lạnh đi ở bề mặt, nó đi xuống dưới đáy vùng đối lưu, để nhận thêm nhiệt từ đỉnh vùng bức xạ. Ở bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trời, nhiệt độ đã giảm xuống 5.700 K và mật độ chỉ còn 0,2 g/m³ (khoảng 1/10.000 mật độ không khí ở mực nước biển).
Các cột nhiệt trong vùng đối lưu tạo nên một dấu vết trên Mặt Trời, dưới hình thức hột mặt trời (solar granulation) và siêu hột. Sự hỗn loạn đối lưu của bộ phận phía ngoài này của phần bên trong lòng Mặt Trời hình thành một máy phát điện "tỷ lệ nhỏ" xuất hiện tạo ra từ trường bắc và nam cực trên toàn bộ bề mặt Mặt Trời. Các cột nhiệt của Mặt Trời là các pin Bénard và vì thế thường có hình lăng trụ năm cạnh.

Hàn quyển

Lớp lạnh nhất của Mặt Trời là vùng nhiệt độ tối thiểu nằm cách khoảng 500 km bên trên quanq quyển, với nhiệt độ cỡ 4.100 K. Phần này của Mặt Trời đủ lạnh để tồn tại các phân tử như carbon monoxit và nước, có thể được phát hiện bởi quang phổ hấp thụ của chúng.

Sắc quyển (chromosphere)

Bên trên lớp nhiệt độ tối thiểu là một lớp dày khoảng 2.000 km, chủ yếu là quang phổ của các đường hấp thụ và phát xạ. Nó được gọi là sắc quyển bắt nguồn từ từ chroma của Hy Lạp, có nghĩa màu sắc, bởi sắc quyển nhìn thấy được như một ánh sáng có màu ở đầu và cuối của các lần nhật thực toàn phần. Nhiệt độ của sắc quyển tăng dần cùng với độ cao, lên khoảng 20.000 K ở gần đỉnh. Ở phần phía trên của sắc quyển heli bị ion hoá một phần.

Vùng chuyển tiếp

Bên trên sắc quyển có một vùng chuyển tiếp mỏng (khoảng 200 km) trong đó nhiệt độ tăng nhanh từ khoảng 20.000 K ở thượng tầng sắc quyển lên tới nhiệt độ gần một triệu K tại miện. Nhiệt độ gia tăng dễ dàng bởi sự ion hoá toàn bộ heli trong vùng chuyển tiếp, làm giảm mạnh sự bức xạ làm nguội của plasma. Vùng chuyển tiếp không xảy ra ở một độ cao được xác định chính xác. Thực vậy, nó hình thành một kiểu quầng với các đặc tính kiểu sắc quyển như gai và sợi, và luôn chuyển động hỗn loạn. Vùng chuyển tiếp không dễ được quan sát thấy từ bề mặt Trái Đất, mà thực tế chỉ có thể được quan sát thấy từ vũ trụ bằng các dụng cụ nhạy cảm với thành phần tử ngoại của quang phổ.

Vành nhật hoa

Vành nhật hoa kéo dài ra lớp khí quyển bên ngoài của Mặt Trời, nó có thể tích lớn hơn cả Mặt Trời. Vành nhật hoa liên tục mở rộng vào vũ trụ hình thành nên gió Mặt Trời, lấp đầy toàn bộ Hệ Mặt Trời. Vành nhật hoa hạ, rất gần bề mặt Mặt Trời, có mật độ phân tử khoảng 10¹⁵–10¹⁶/m³. Nhiệt độ trung bình của vành nhật hoa và gió Mặt Trời khoảng 1–2 triệu kelvin, tuy nhiên, trong những vùng nóng nhất nó khoảng 8–20 triệu kelvin. Tuy chưa tồn tại 1 lý thuyết đầy đủ để tính nhiệt độ vành nhật hoa, ít nhất một số lượng nhiệt của nó được biết có từ sự tái liên thông từ trường.

Nhật quyển

Nhật quyển là khoảng trống xung quanh Mặt Trời, được lấp đầy bằng gió plasma Mặt Trời và kéo dài xấp xỉ khoảng 20 lần bán kính Mặt Trời (0,1 AU) ra các mép phía ngoài của Hệ Mặt Trời. Biên giới phía trong của nó được xác định là lớp mà tại đó dòng gió Mặt Trời trở nên superalfvénic — có nghĩa là nơi dòng chảy trở nên nhanh hơn tốc độ của sóng Alfvén. Sự nhiễu loạn và các lực động lực học bên ngoài biên giới này không thể ảnh hưởng tới hình dạng của quầng Mặt Trời bên trong, bởi thông tin chỉ có thể di chuyển với tốc độ của các sóng Alfvén. Gió Mặt Trời đi ra bên ngoài liên tục xuyên qua Nhật quyển, hình thành nên trường điện từ Mặt Trời bên trong hình dạng xoắn ốc, cho tới khi nó va chạm với nhật mãn với khoảng cách hơn 50 AU từ Mặt Trời. Tháng 12 năm 2004, tàu vũ trụ Voyager 1 đã vượt qua một dải chấn được cho là một phần của nhật mãn. Cả hai tàu Voyager đều ghi nhận mức độ hạt năng lượng cao khi chúng tiếp cận biên giới.

Thành phần hóa học

Mặt Trời được cấu tạo chủ yếu bởi các nguyên tố hydro và heli, các nguyên tố này chiếm tương ứng 74,9% và 23,8% khối lượng của Mặt Trời trong quang quyển. Các nguyên tố nặng hơn được gọi là kim loại trong thiên văn học, chiếm ít hơn 2% khối lượng Mặt Trời. Trong đó phổ biến nhất là oxy (chiếm gần 1% khối lượng Mặt Trời), cacbon (0,3%), neon (0,2%), và sắt (0,2%).
Thành phần hóa học của Mặt Trời thừa hưởng các nguyên tố từ vật chất giữa các sao khi nó hình thành: hydro và heli trong Mặt Trời được tạo ra từ tổng hợp hạt nhân Big Bang. Các kim loại này được tạo ra bởi tổng hợp hạt nhân sao khi kết thúc quá trình tiến hóa sao và trả các vật liệu của chúng về khoảng không giữa các sao trước khi Mặt Trời hình thành. Thành phần hóa học của quang quyển thường được xem là đại diện cho các thành phần của hệ Mặt Trời nguyên thủy. Tuy nhiên, khi Mặt Trời hình thành, heli và các nguyên tố nặng tích tụ trong quang quyển. Do đó, quang quyển ngày nay chứa ít heli và chỉ có khoảng 84% các nguyên tố nặng so với sao tổ tiên; sao tổ tiên có 71,1% hydro, 27,4% heli, và 1,5% kim loại.
Bên trong Mặt Trời, các phản ứng tổng hợp hạt nhân làm biến đổi thành phần của nó do hidro biến thành heli - phản ứng nhiệt hạch, vì vậy phần trong cùng nhất của Mặt Trời hiện tại chỉ có khoảng 60% heli, còn hàm lượng kim loại phổ biến thì không đổi. Do phần bên trong Mặt Trời có hoạt động phóng xạ, chứ không phải đối lưu (xem cấu trúc ở trên), nên không có sản phẩm tổng hợp hạt nhân nào từ lõi đi vào quang quyển.
Các nguyên tố nặng phổ biến trong Mặt Trời mô tả bên trên được đo đạc đồng thời bằng quang phổ trong quang quyển và bằng các vật chất trong thiên thạch không bị nung chảy. Các thiên thạch này được cho là có chứa thành phần của ngôi sao tiền Mặt Trời và không bị ảnh hưởng bởi sự tích tụ các nguyên tố nặng. Đó là hai cách đo đạc được nhiều người đồng ý nhất.

Các nguyên tố nhóm sắt bị ion hóa

Trong thập niên 1970, nhiều nghiên cứu tập trung vào sự phong phú của các nguyên tố nhóm sắt trong Mặt Trời. Mặc dù các nghiên cứu này mang lại nhiều ý nghĩa, nhưng việc xác định sự phong phú của các nguyên tố nhóm sắt (như coban và mangan) vẫn còn là khó khăn vào thời điểm đó do các cấu trúc siêu mịn của chúng.
Một bộ hoàn chỉnh về độ mạnh dao động đầu tiên của các nguyên tố nhóm sắt bị ion hóa riêng lẻ được thực hiện thành công vào thập niên 1960, và được nâng cấp vào năm 1976. Năm 1978, sự phong phú về các nguyên tố thuộc nhóm sắt bị ion hóa đã được nhận dạng.

Quan hệ sự phân tầng khối lượng giữa hành tinh và Mặt Trời

Nhiều tác giả khác nhau đề cập đến sự tồn tại của mối quan hệ phân tầng khối lượng giữa các thành phần đồng vị của Mặt Trời và khí trơ trên các hành tinh, ví dụ như sự tương quan giữa thành phần đồng vị của hành tinh và Mặt Trời là Ne và Xe. Tuy nhiên, người ta tin rằng toàn bộ Mặt Trời có cùng thành phần như nhau trong khi bầu khí quyển của Mặt Trời vẫn trải rộng và ít nhất là đến năm 1983. Năm 1983, người ta cho rằng có sự phân tầng trên Mặt Trời, chính vì vậy đã tạo ra mối quan hệ phân tầng giữa các thành phần đồng vị của hành tinh và gió Mặt Trời là các khí hiếm.

Chu kỳ dài

Một giả thuyết gần đây nêu rằng từ trường không ổn định trong lõi của Mặt Trời tạo ra sự dao động với chu kỳ 41.000 hoặc 100.000 năm. Điều này có thể cung cấp các dữ kiện để giải thích về thời kỳ băng hà hơn là chu kỳ Milankovitch.

Vị trí và chuyển động trong dải Ngân Hà

Sự chuyển động của Mặt Trời liên quan đến khối tâm của hệ Mặt Trời trở nên phức tạp do các nhiễu loạn từ các hành tinh. Cứ mỗi vài trăm năm chuyển động này lại thay đổi giữa cùng hướng và ngược hướng với các thiên thể khác.
Mặt Trời nằm gần rìa trong của nhánh Orion của Ngân Hà, trong đám mây liên sao Địa phương hoặc vành đai Gould, với khoảng cách giả thuyết 7,5–8,5 kpc (25.000–28.000 năm ánh sáng) tính từ tâm Ngân Hà,
nằm bên trong Bong bóng địa phương, một không gian khí nóng loãng, có thể được tạo ra từ phần còn sót lại của siêu tân tinh, Geminga, một nguồn phát xạ tia gamma sáng chói. Khoảng cách giữa nhánh địa phương và nhánh gần đó là nhánh Perseus vào khoảng 6.500 năm ánh sáng.
Điểm apec của đường đi của Mặt Trời là hướng mà mặt trời đi qua không gian của thiên hà. Hướng chung của chuyển động của Mặt Trời thẳng về sao Vega gần chòm sao Hercules, với góc gần 60 độ khối (sky degree) so với hướng của tâm Ngân Hà. Nếu một người nào đó quan sát Mặt Trời từ Alpha Centauri, hệ sao gần nhất, Mặt Trời sẽ xuất hiện trong chòm sao Cassiopeia.
Quỹ đạo của Mặt Trời xung quanh Ngân Hà được cho là dạng elip có một chút nhiễu do các nhánh xoắn ốc và sự phân bố khối lượng không đồng nhất của thiên hà. Thêm vào đó, Mặt Trời dao động lên và xuống so với mặt phẳng thiên hà khoảng 2,7 lần trong một quỹ đạo. Đều này tương tự với một dao động điều hòa đơn giản không có lực kéo nào. Đã từng có tranh luận rằng sự chuyển động của Mặt Trời xuyên qua các nhánh xoắn ốc mật độ cao hơn đôi khi bằng với các sự kiện tuyệt chủng lớn trên Trái Đất, có lẽ là do làm tăng các sự kiện va chạm (impact event). Hệ Mặt Trời mất khoảng 225–250 triệu năm để hoàn thiện một vòng quỹ đạo của nó trong Ngân Hà (hay một năm ngân hà), vì vậy, tổng số vòng quay của Mặt Trời quanh Ngân Hà là khoảng 20–25 trong cuộc đời đã qua của nó. Vận tốc quỹ đạo của hệ Mặt Trời so với tâm của Ngân Hà vào khoảng 251 km/s. Với vận tốc này, nó mất khoảng 1.400 năm để hệ Mặt Trời đi được một khoảng cách của 1 năm ánh sáng, hay 8 ngày để đi được 1 AU.

Neutrino Mặt Trời

Trong một vài năm số lượng neutrino electron Mặt Trời được phát hiện trên Trái Đất từ ¹⁄₃ đến ¹⁄₂ so với số lượng dự đoán bằng Mô hình chuẩn của Mặt Trời. Kết quả bất thường này được đặt tên là vấn đề neutrino Mặt Trời. Các giả thuyết đưa ra để giải quyết vấn đề này hoặc là sự giảm nhiệt độ bên trong Mặt Trời làm cho dòng nơtrino thấp hơn, hoặc là khẳng định rằng các nơtrino electron có thể dao động liên quan đến các neutrino tau và neutrino muon, mà hai loại này không thể nhận biết được khi chúng chuyển động giữa Mặt Trời và Trái Đất. Một vài quan sát về nơtrino đã bắt đầu thực hiện trong thập niên 1980 để đo dòng nơtrino Mặt Trời với độ chính xác có thể, bao gồm Đài quan sát Neutrino Sudbury và Kamiokande. Các kết quả cho thấy các nơtrinos có khối lượng tĩnh rất nhỏ và thực tế là có sự dao động. Ngoài ra, vào năm 2001 dự án Đài quan sát Neutrino Sudbury đã có thể nhận dạng ba loại nơtrino một cách trực tiếp, và thấy rằng tốc độ phát xạ tổng số các nơtrino của Mặt Trời phù hợp với Mô hình chuẩn Mặt Trời, mặc dù nó phụ thuộc vào năng lượng nơtrino làm cho có 1/3 nơtrino được phát hiện trên Trái Đất là loại nơtrino electron. Tỷ lệ này phù hợp với dự đoán theo hiệu ứng Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (hay còn gọi là hiệu ứng vật chất). Hiệu ứng này miêu tả sự dao động của vật chất, và nó được xem là một lời giải cho vấn đề này.

Những hiểu biết trước đây

Hiểu biết cơ bản nhất của nhân loại về Mặt Trời đó là một đĩa sáng trong bầu trời, khi nó xuất hiện thì gọi là ban ngày, còn khi nó biến mất là ban đêm. Trong các nền văn hóa cổ đại và tiền sử, Mặt Trời được xem là thần Mặt Trời hay các hiện tượng siêu nhiên khác. Thờ cúng Mặt Trời là tâm điểm của các nền văn minh như Inca ở Nam Mỹ và Aztec thuộc México ngày nay. Một số tượng đài cổ được xây dựng với ý tưởng kết hợp với các hiện tượng liên quan đến Mặt Trời; ví dụ, các cự thạch đánh dấu một cách chính xác đông chí hoặc hạ chí (các cự thạch nổi tiếng phân bố ở Nabta Playa, Ai Cập, Mnajdra, Malta và ở Stonehenge, Anh). Vào thời kỳ La Mã, ngày sinh của Mặt Trời là ngày nghỉ để kỉ niệm Sol Invictus chỉ sau đông chí mà ngày nay gọi là Christmas. Dựa theo các sao cố định, Mặt Trời xuất hiện từ Trái Đất xoay một lần mất một năm theo mặt phẳng hoàng đạo xuyên qua mười hai chòm sao, và vì thế các nhà thiên văn học Hy Lạp cho rằng nó là một trong 7 hành tinh (Hy Lạp planetes nghĩa là "đi lang thang"), sau đó nó được đặt tên cho 7 ngày trong tuần trong một số ngôn ngữ.

Trước Công nguyên

Vào đầu thiên niên kỷ 1 TCN, các nhà thiên văn học Babylon đã quan sát thấy rằng sự chuyển động của Mặt Trời theo đường hoàng đạo là không đồng nhất, mặc dù họ không biết tại sao như thế; với kiến thức ngày nay thì đó là do Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo elip quanh Mặt Trời, khi đó Trái Đất sẽ chuyển động nhanh hơn khi nó ở gần Mặt Trời tại điểm cận nhật và chậm hơn khi nó ở xa điểm viễn nhật.
Một trong những người tiên phong nêu ra lời giải thích khoa học về Mặt Trời là nhà triết học Hy Lạp Anaxagoras (500-428 TCN). Ông cho rằng Mặt Trời là quả cầu lửa kim loại khổng lồ, thậm chí lớn hơn Peloponnesus, và không phải là xe ngựa chariot của thần Mặt Trời Helios. Khi giảng về vấn đề dị giáo này, ông đã bị bỏ tù bởi nhà cầm quyền và bị tuyên án tử hình, mặc dù sau đó ông được phóng thích bởi sự can thiệp của Pericles. Sau đó hai thế kỷ, vào thế kỷ III TCN nhà toán học, thi sĩ, thiên văn học Hy Lạp Eratosthenes đã ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời vào khoảng "400 vạn và 80.0000 thước đo tầm xa (stadia)", việc giải nghĩa vẫn chưa rõ ràng, nó ám chỉ hoặc 4.080.000 stadia (755.000 km) hoặc 804.000.000 stadia (148 đến 153 triệu km); con số sau là chính xác với sai số vài phần trăm.

Công nguyên

Vào thế kỷ I, nhà toán học, thiên văn học xứ Alexandria Ptolemy đã ước tính khoảng cách này gấp 1.210 lần bán kính Trái Đất. Vào thế kỷ VIII, nhà toán học, thiên văn học người Ba Tư Yaqūb ibn Tāriq đã ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời gấp 8.000 lần bán kính Trái Đất, một con số lớn nhất về đơn vị thiên văn cho đến thời điểm đó.
Những đóng góp cho thiên văn học của người Ả rập như Albatenius phát hiện rằng hướng độ lệch tâm của Mặt Trời đang thay đổi, và Ibn Yunus quan sát hơn 10.000 vị trí của Mặt Trời trong nhiều năm bằng thiết bị đo độ cao thiên thể. Sự chuyển động của Sao Kim được Avicenna quan sát đầu tiên vào năm 1032 và ông kết luận rằng Sao Kim nằm gần Trái Đất hơn Mặt Trời, còn quan sát đầu tiên về sự chuyển động của Sao Thủy do Ibn Bajjah thực hiện vào thế kỷ XII. Nhà vật lý Ả rập, Alhazen, đã nghiên cứu các đặc điểm của ánh sáng Mặt Trời bằng các thí nghiệm với camera trong buồng tối obscura, được miêu tả trong quyển Sách quang học (1021), và đã minh họa rằng Mặt Trời là nguồn cung cấp ánh sáng cho Mặt Trăng. Để tạo nên công trình của ông vào thế kỷ XIII, Qutb al-Din al-Shirazi và Theodoric của Freiberg đã đưa ra các giải thích chính xác về hiện tượng cầu vồng, còn Kamāl al-Dīn al-Fārisī đã xác nhận thông qua các thí nghiệm bằng camera obscura rằng màu sắc của hiện tượng cầu vồng là sự phân tán của ánh sáng Mặt Trời. Trong thế kỷ XIII, nhà thiên văn học đạo Hồi Maghribi đã ước tính đường kính Mặt Trời khoảng 255 lần đường kính Trái Đất, con số này lớn gấp đôi con số hiện tại được chấp nhận.

Thuyết nhật tâm

Giả thuyết rằng Mặt Trời là trung tâm của quỹ đạo chuyển động của các hành tinh được Aristarchus của Samos (310-230 TCN) đưa ra vào thế kỷ III TCN, và sau đó Seleucus của Seleucia cũng theo thuyết này (xem thuyết Nhật tâm). Quan điểm triết học quan trọng này đã được phát triển thành mô hình toán học dự đoán một cách hoàn chỉnh về hệ nhật tâm vào thế kỷ XVI bởi Nicolaus Copernicus. Vào đầu thế kỷ XVII, việc phát minh ra kính viễn vọng đã cho phép các quan sát chi tiết hơn về vết đen Mặt Trời do Thomas Harriot, Galileo Galilei và các nhà thiên văn khác thực hiện. Galileo đã thực hiện một số quan sát vết đen Mặt Trời bằng kính viễn vọng và thừa nhận rằng chúng nằm trên bề mặt của Mặt Trời hơn là các vật thể nhỏ chuyển động qua khoảng không giữa Trái Đất và Mặt Trời. Các vết đen Mặt Trời cũng được các nhà thiên văn Trung Quốc quan sát vào thời nhà Hán (206 TCN - 220 CN), họ đã duy trì ghi chép các quan sát này trong vài thế kỷ. Averroes cũng đưa ra một miêu tả về các vết đen Mặt Trời trong thế kỷ XII.
Năm 1672 Giovanni Cassini và Jean Richer xác định được khoảng cách đến Sao Hỏa và đã tính được khoảng cách đến Mặt Trời. Isaac Newton quan sát ánh sáng Mặt Trời bằng lăng kính, và thấy nó được tạo thành từ nhiều màu sắc, trong khi đó vào năm 1800 William Herschel phát hiện ra bức xạ hồng ngoại nằm gần ánh sáng đỏ trong quang phổ của Mặt Trời. Thập niên 1800 phát triển mạnh các kính quang phổ nghiên cứu về Mặt Trời, và Joseph von Fraunhofer đã thực hiện các quan sát đầu tiên về các vạch hấp thụ quang phổ, vạch mạnh nhất vẫn thường được gọi theo tên của ông là vạch Fraunhofer. Khi mở rộng dải quang phổ của sánh sáng từ Mặt Trời thì có một số màu bị mất được phát hiện.

Thiên văn học hiện đại

Vào những năm đầu tiên của kỷ nguyên khoa học hiện đại, nguồn năng lượng Mặt Trời vẫn là vấn đề còn nhiều bí ẩn. Lord Kelvin đã đề nghị rằng Mặt Trời là một vật thể lỏng đang lạnh đi một cách từ từ vì vậy nó đang phát ra nhiệt dự trữ bên trong lòng nó. Sau đó, Kelvin và Hermann von Helmholtz đưa ra cơ chế Kelvin-Helmholtz để giải thích lượng năng lượng tỏa ra này. Tuy nhiên, kết quả tính tuổi Mặt Trời chỉ có 20 triệu năm, một con số rất nhỏ so với các tính toán mà các dấu hiệu địa chất lúc đó đưa ra là ít nhất 300 triệu năm. Năm 1890 Joseph Lockyer, người đã phát hiện ra heli trong quang phổ của Mặt Trời, đã đưa ra giả thuyết thiên thạch về sự hình thành và tiến hóa của Mặt Trời.
Mãi cho đến năm 1904 thì vấn đề này mới được giải quyết. Ernest Rutherford cho rằng lượng bức xạ Mặt Trời có thể đã được duy trì bởi một nguồn nhiệt bên trong nó, và đó là hoạt động phân rã phóng xạ. Tuy nhiên, Albert Einstein là người đã đưa ra mối quan hệ giữa nguồn năng lượng phát ra từ Mặt Trời với phương trình cân bằng khối lượng-năng lượng E = mc².
Năm 1920, Sir Arthur Eddington đề xuất rằng áp suất và nhiệt động trong lõi của Mặt Trời có thể phát sinh một phản ứng hợp hạch hạt nhân theo đó các hạt nhân hidro (proton) hợp lại tạo ra hạt nhân heli, quá trình này sinh ra năng lượng đồng thời sẽ làm giảm dần khối lượng. Lượng hdro chiếm ưu thế trong Mặt Trời được Cecilia Payne xác nhận vào năm 1925. Quan điểm lý thuyết về tổng hợp hạt nhân được các nhà vật lý thiên văn Subrahmanyan Chandrasekhar và Hans Bethe phát triển vào thập niên 1930. Hans Bethe đã tính toán chi tiết hai phản ứng sinh năng lượng chính trên Mặt Trời.
Sau cùng, một bài báo có ảnh hưởng lớn của Margaret Burbidge được xuất bản năm 1957 với tựa là "Sự tổng hợp các nguyên tố của các Sao" ("Synthesis of the Elements in Stars"). Bài báo đã minh hoạ một cách thuyết phục rằng hầu hết các nguyên tố trong vũ trụ đã và đang được tổng hợp bằng các phản ứng hạt nhân bên trong các ngôi sao, giống như Mặt Trời.

Mặt Trời và tác hại đến mắt

Mặt Trời rất sáng, và nhìn trực tiếp vào Mặt Trời rất có hại cho mắt, nhưng không nghiêm trọng khi mắt mở bình thường hoặc không mở rộng. Nhìn trực tiếp vào Mặt Trời vào lúc trưa nắng sẽ làm cho các sắc tố quang hình trong con ngươi mất màu tạm thời, có thể tạo ra hiện tượng đom đóm mắt và mù tạm thời. Nhìn thẳng vào Mặt Trời bằng mắt trần sẽ nhận khoảng 4 miliwatt ánh sáng vào con ngươi và làm nóng lên đủ để có thể gây tác hại do mắt không phản ứng kịp trước độ sáng. Nhìn thoáng qua Mặt Trời có thể gây cảm giác khó chịu nhưng không gây hại nhiều.
Nhìn Mặt Trời thông qua các thấu kính như ống nhòm rất có hại nếu không có màn chắn hấp thụ làm mờ tia sáng. Các màng làm mờ có bán tại các cửa hàng cung cấp sản phẩm hàn và máy chụp ảnh. Sử dụng đồ lọc thích hợp rất quan trọng như làm giảm độ sáng và cản các tia hồng ngoại và cực tím có thể làm hại cho mắt ở các cấp độ sáng cao. Nhìn thẳng vào thấu kính để nhìn Mặt Trời có thể nhận khoảng 2 watt năng lượng trực tiếp vào mắt, gấp 500 lần hơn so với nhìn bằng mắt thường. Chỉ thoáng nhìn qua thấu kính mà không có đầu lọc có thể gây ra mù vĩnh viễn.
Trong hiện tượng nhật thực, điều kiện nguy hiểm có thể xảy ra đối với mắt bởi phản ứng của mắt với ánh sáng. Đồng tử được điều khiển bằng tổng ánh sáng của môi trường, không bằng ánh sáng của vật sáng nhất trong môi trường. Trong hiện tượng nhật thực, phần lớn ánh sáng bị cản lại bằng Mặt Trăng, nhưng phần ánh sáng không bị che khuất có lượng ánh sáng bằng một ngày bình thường. Trong ánh sáng mờ, đồng tử có hiện tượng giãn nở từ 2 mm đến 6 mm, tăng điện tích tiếp nhận ánh sáng gấp 10 lần. Các phần tử trên con ngươi nhận trực tiếp từ ánh sáng Mặt Trời vì thế gấp 10 lần bình thường, hay lúc không nhật thực. Nhìn trực tiếp nhật thực bằng mắt thường có thể gây ra sự hủy hoại từng phần trên võng mạc, gây ra hiện tượng mù từng đốm trên mắt. Điều này đặc biệt ảnh hưởng với trẻ em và những người không có kinh nghiệm.
Trong lúc Mặt Trời mọc hay lặn, ánh sáng bị hấp thụ một phần do khoảng đường xa tới tầng khí quyển Trái Đất, ngoài ra ánh sáng còn bị làm mờ do bụi trong không khí, sương mù và độ ẩm trong không khí góp một phần trong sự hấp thu này nên không làm cho mắt khó chịu.