Sao chổi là thiên thể chuyển động quanh Mặt Trời. Chúng ta có thể quan sát sao chổi lớn khi chúng đến đủ gần Trái Đất mà không cần đến sự hỗ trợ của các thiết bị quang học, một số sao chổi có khoảng cách xa hơn hoặc mờ hơn có thể được quan sát bằng các kính thiên văn hay ống nhòm nghiệp dư. Những quan sát sao chổi đã có từ rất lâu, nhưng quá trình nhận thức và tìm hiểu đối tượng này đã trải qua một loạt những biến chuyển. Ở đây chúng ta sẽ nhắc tới một số nét chính về nhận thức lịch sử và các đặc điểm vật lý của sao chổi.
Quan niệm ban đầu về sao chổi
Sao chổi từng là một cơn ác mộng, là nỗi sợ hãi trong nhiều nền văn hóa khác nhau trên thế giới trong suốt quãng thời gian dài. Trong các nền văn hóa cổ đại, sao chổi được coi là điềm báo chẳng lành từ các vị thần. Sự xuất hiện của sao chổi là báo hiệu cho chết chóc, bệnh dịch..... Đặc biệt, có những trùng hợp càng làm tăng thêm nỗi sợ hãi hiện tượng này. Chẳng hạn năm 1664 khi một sao chổi rất sáng xuất hiện trên bầu trời, trùng với thời điểm thành phố London (Anh) phải gánh chịu bệnh dịch hạch vào năm 1665 khiến hơn 100.000 người chết (bệnh dịch khi đó đã nổi tiếng với tên gọi là “cái chết đen”). Sau đó là đại hỏa hoạn tại thành phố London vào năm 1666 đã thiêu trụi gần như toàn bộ thành phố. Vậy từ đâu mà các nền văn minh cổ xưa lại cảm thấy sợ hãi hiện tượng này như vậy?
Hình vẽ sao chổi năm 1664
Khi quan sát bầu trời đêm, người ta nhận thấy rằng sao chổi không giống bất kì thiên thể nào. Trong khi những thiên thể khác có thể được dự đoán chu kì khá chính xác thì sao chổi luôn luôn không thể dự đoán trước được. Điều này đã khiến cho các nền văn minh cổ đại tin rằng các vị thần đã quyết định chuyển động của sao chổi và đã gửi thông điệp tới cho con người qua chúng.
Những quan sát đầu tiên.
Những quan sát về sao chổi từ lâu đã được người Trung Quốc ghi chép lại một cách rất tỉ mỉ. Những ghi chép cổ nhất được xác định có niên đại khoảng 1000 năm trước Công nguyên (TCN). Trong đó những quan sát đầu tiên về sự xuất hiện của sao chổi Halley vào năm 239 TCN được ghi chép lại bởi Shih Chi và Wen Hsien Thung Khao.
Những ý tưởng về bản chất của sao chổi đã xuất hiện với sư phát triển của triết học tự nhiên Hy Lạp vào khoảng năm 550 TCN khi trường phái Pythagoras coi sao chổi là một hành tinh thường xuyên xuất hiện tại chân trời vào buổi sáng hoặc buổi tối. Trong khi đó Aristotle cho rằng sao chổi là một thiên thể bay ở quỹ đạo thấp hơn Mặt Trăng. Quan điểm của Aristole về sao chổi đã được công nhận trong một thời gian dài.
Sao chổi Halley
Nhà thiên văn học đầu tiên có quan sát và nghiên cứu tỉ mỉ về sao chổi là Edmond Halley, ông coi nó là một hiện tượng kì thú. Halley đã có những quan sát rất chi tiết về một sao chổi xuất hiện vào năm 1680. Khi tìm hiểu các ghi chép cũ về sao chổi ông nhận thấy các sao chổi xuất hiện vào năm 1531, 1607 và 1682 có rất nhiều điểm chung và ông khẳng định 3 sao chổi đó là một. Ông đã tính toán chính xác được sự trở lại của sao chổi này vào năm 1758. Mặc dù ông không còn sống để quan sát sự trở lại của sao chổi này nhưng sự xác thực của nó đã là khởi đầu cho việc quan sát và nghiên cứu đặc tính của sao chổi sau này. Sao chổi đó đã được đặt theo tên của ông và đến nay chúng ta vẫn coi sao chổi Halley là sao chổi nổi tiếng nhất.
Trước Halley, vào 1577 khi một sao chổi xuất hiện trên bầu trời, bằng phương pháp thị sai Tycho Brahe đã cho thấy rằng khoảng cách từ sao chổi này đến Trái Đất lớn gấp 4 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng.
Nguồn gốc và đặc điểm vật lý
Sao chổi được chia làm 2 loại theo đặc điểm chu kỳ là sao chổi chu kỳ ngắn và sao chổi chu kì dài. Những sao chổi chu kỳ ngắn có nguồn gốc từ vành đai Kuiper nằm ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương. Những sao chổi có chu kỳ dài được cho là có nguồn từ đám mây Oort - một khối dạng cầu bao quanh biên giới Hệ Mặt Trời gồm tập hợp các vật thể chủ yếu là băng với đường kính khoảng 2 năm ánh sáng. Những sao chổi quỹ đạo dài từ mây Oort bị đẩy về phía Mặt trời với quỹ đạo parabol hoặc hyperbol do sự nhiễu loạn hấp dẫn từ các ngôi sao có quĩ đạo gần Hệ Mặt Trời và các biến động hấp dẫn của thiên hà.
Cấu tạo của một sao chổi gồm ba phần chính:
Nhân sao chổi (core/nucleus) là một khối vật chất rắn có kích thước từ vài kilomet đến vài chục kilomet. Thành phần chủ yếu của nó là đá, bụi, khí và nước đóng băng, trong đó khoảng 80% là nước đóng băng, khoảng 15% là carbon monoxide (CO), còn lại là carbon dioxide (CO2), methane (CH4) và ammonia (NH3). Sâu bên trong nhân của sao chổi có chứa một thành phần nhỏ gồm các hợp chất hữu cơ như methanol, hydrogen cyanide, formaldehyde, ethanol, ethane và có thẻ cả các phân tử phức tạp hơn như axit amin.
Phần bao phủ (coma) là một lớp khí bao quanh phần nhân ở giữa. Nó chỉ xuất hiện khi sao chổi đến đủ gần để bức xạ Mặt Trời gây ra quá trình thăng hoa tại nhân. Khi đó một lớp khí được giải phóng từ lớp băng đá tại trung tâm sao chổi. Kích thước lớp phủ tăng dần khi đến gần Mặt Trời và có thể lớn bằng đường kính của Sao Mộc dù mật độ rất thấp. Vào tháng 12 năm 2007 một cuộc bùng phát bức xạ Mặt Trời đã làm cho đường kính phần đầu sao chổi 17P/ Holmes lớn hơn cả Mặt trời. Mặc dù lớn nhưng nó giảm dần khi đi qua quỹ đạo của Sao Hỏa vì ở khoảng cách này, gió Mặt trời đã đủ mạnh để thổi dạt lớp khí bụi này tạo thành đuôi sáng.
Đuôi sao chổi (tail) là điểm đặc trưng của thiên thể khi chúng ta quan sát từ Trái Đất. Nó là dòng khí do sự bay hơi các thành phần của nhân sao chổi, bị thổi dạt về một hướng do áp lực của gió Mặt Trời. Sự phân chia dòng khí bởi gió Mặt Trời làm cho đuôi của các sao chổi có thể khác nhau và về cơ bản được chia thành sao chổi một đuôi, hai đuôi, ba đuôi, ... Khác với phán đoán thông thường, đuôi của sao chổi không hướng dọc theo chiều chuyển động như một ống phản lực mà có hướng ngược lại với hướng đi vào tâm của Mặt Trời, bất kể sao chổi đang di chuyển theo hướng nào, đó là do nó vốn được tạo thành từ áp lực của gió Mặt Trời.
Vòng đời
Mỗi sao chổi có một vòng đời khác nhau tính từ khi nó bắt đầu di chuyển vào Hệ Mặt Trời. Các sao chổi đều xuất phát từ những nơi rất xa Mặt Trời nên khi ở điểm viễn nhật chúng rất lạnh. Lúc này, các phân tử khí và nước đều bị đóng băng. Tại thời điểm xuất phát chúng ta không thể quan sát được chúng vì kích thước của chúng rất nhỏ và lại ở quá xa.
Sao chổi bắt đầu được quan sát khi nó tới đủ gần Mặt Trời và phát sáng do sự thăng hoa các vật chất trên bề mặt. Dưới tác động của bức xạ Mặt Trời, lớp băng tại bề mặt sao chổi không tan ra mà nó biến đổi trực tiếp từ băng thành khí. Khi quá trình thăng hoa diễn ra, các phân tử nước bị tách qua quá trình quang phân (Photodissciation – sự phân tách hợp chất hóa học do tác động của photon)
Trong tất cả các sao chổi đã được quan sát thì chỉ có khoảng 10% số sao chổi tồn tại sau 50 lần đi qua điểm cận nhật và chỉ 1% sống sót qua 2.000 lần. Những sao chổi may mắn sẽ thoát khỏi áp suất cao từ Mặt trời và tiếp tục lặp lại chu kỳ quỹ đạo của mình. Tuy nhiên một số khác lại không được may mắn như vậy. Một số sẽ đâm vào Mặt Trời hoặc bị phá tan bởi áp suất của Mặt Trời. Ngoài ra một số khác bị va chạm với các hành tinh như sao chổi Shoemaker-Levy 9 va chạm với Sao Mộc vào năm 1994.
Đặc điểm quỹ đạo
Các sao chổi, như đã nói trên, đều có quĩ đạo dạng elip dẹt (tâm sai lớn), tức là điểm cận nhật và điểm viễn nhật cách rất xa nhau, khác với các hành tinh có quĩ đạo đều gần tròn.
Chu kỳ ngắn
Những sao chổi chu kỳ ngắn được quy ước là có chu kỳ quỹ đạo ít hơn 200 năm. Điểm viễn nhật nằm tại khu vực các hành tinh nhóm ngoài. Ngoài ra còn có các sao chổi có chu kỳ cực ngắn như sao chổi Encke có điểm viễn nhật không đến quỹ đạo của Sao Mộc. Nó có quỹ đạo ngắn hơn 20 năm. Những sao chổi như thế được xếp vào nhóm JFCs (Jupiter-Family comets – sao chổi có viễn nhật lân cận quĩ đạo Sao Mộc). Những sao chổi có quỹ đạo từ 20 đến 200 năm thuộc sao chổi loại Halley. Tính đến năm 2014, chỉ có 74 sao chổi loại Halley được phát hiện trong khi có đến 492 sao chổi loại JFCs.
Chu kỳ dài
Sao chổi chu kỳ dài có quỹ đạo và chu kỳ rất khác nhau, từ 200 năm đến hàng nghìn năm. Quỹ đạo của chúng vượt xa quỹ đạo của các hành tinh nhóm ngoài và mặt phẳng quỹ đạo của chúng không hẳn nằm trên mặt phẳng Hoàng đạo.
Một số sao chổi đơn (là những sao chổi chỉ qua điểm cận nhật 1 lần) cũng có quỹ đạo parabol nhưng bị nhiễu loạn hấp dẫn từ các hành tinh lớn như Sao Mộc đã làm thay đổi quỹ đạo từ parabol thành hyperbol khiến chúng vĩnh viễn ra khỏi Hệ Mặt Trời sau khi rời xa khỏi cận nhật. Đến nay chỉ một vài sao chổi được quan sát có thể đạt được quỹ đạo hyperbol (với tâm sai e>1) để có thể thoát ra khỏi HMT.
Ảnh hưởng của sao chổi
Mưa sao băng
Khi đến gần Mặt Trời, áp suất từ Mặt Trời và tương tác hấp dẫn làm vỡ lớp đá trên bề mặt của sao chổi. Khi đó các mảnh vỡ bị bắn ra và có thể để lại trên đường đi của nó rất nhiều mảnh nhỏ - các thiên thạch. Vì đa số các sao chổi di chuyển trên mặt phẳng hoàng đạo nên khi đi ngang qua quỹ đạo Trái Đất, chúng để lại những đám thiên thạch do sự tham gia của hấp dẫn Trái Đất, là nguyên nhân gây là các trận mưa sao băng. Ví dụ, mưa sao băng Perseids từ ngày 09 đến 13 tháng 8 khi Trái Đất đi qua đám thiên thạch để lại bởi sao chổi Swift-Tuttle hay mưa sao băng Orionids vào tháng 10 có nguồn gốc từ sao chổi Halley.
Sự sống trên Trái Đất
Như trên đã nói, các hợp chất hữu cơ – yếu tố tiên quyết của sự sống có mặt trong nhân của các sao chổi. Trong giai đoạn mới hình thành, có rất nhiều sao chổi và các tiểu hành tinh va chạm vào Trái đất. Các nhà khoa học tin rằng các vụ va chạm với Trái Đất khoảng 4 tỷ năm trước đang đưa một lượng nước lớn đến cho Trái Đất. Việc phát hiện ra các phân tử hữu cơ như Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) với một lượng lớn sao chổi khiến một số người cho rằng sao chổi hoặc thiên thạch đã mang các phân tử hữu cơ ban đầu đến Trái Đất. Chính từ những hợp chất đầu tiên này, sự sống trên hành tinh của chúng ta đã hình thành và phát triển tới ngày nay.
Quan sát sao chổi
Chỉ những sao chổi sáng và có điểm cận nhật rất gần Mặt Trời mới có thể được chúng ta quan sát bằng mắt thường. Mặc dù vận tốc của thiên thể này trên quĩ đạo khá cao (hàng chục hay hàng trăm kilomet mỗi giây), nhưng với khoảng cách của chúng khi quan sát từ Trái Đất thì chúng ta thấy các sao chổi di chuyển rất chậm, thậm chí trong nhiều trường hợp không thể nhận ra sự thay đổi vị trí trên nền trời trong đêm. Điều này khác với nhiều hiểu nhầm cho rằng sao chổi cũng lướt qua bầu trời giống như sao băng.
Sao chổi Halebopp
Với một chiếc kính thiên văn nghiệp dư hay một ống nhòm, chúng ta có thể quan sát các sao chổi khi chúng tới tương đối gần Mặt Trời.
Trần Quốc Việt
(VACA)
Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn trích dẫn Thienvanvietnam.org khi sử dụng bài viết này
