tiểu luận tìm hiểu về sao chổi

LỜI NÓI ĐẦU Thiên văn học là một trong những môn khoa học được coi là ra đời sớm nhất của nhân loại, ra đời cùng với những môn khoa học đầu tiên như toán học, triết học,… Thiên văn ra đờ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TP THÁI NGUYÊN

KHOA VẬT LÝ



TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ:

TÌM HIỂU VỀ SAO CHỔI

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Văn Đăng Sinh viên thực hiên : Phạm Trung Kiên

Lớp : CN Vật lý Khóa : VI

Thái Nguyên : tháng 05-2011

LỜI NÓI ĐẦU

Thiên văn học là một trong những môn khoa học được coi là ra đời sớm nhất của nhân loại, ra đời cùng với những môn khoa học đầu tiên như toán học, triết học,… Thiên văn ra đời rất sớm tại các nền văn minh cổ đại như: Babilon, Trung Quốc, Ai cập, Hy lạp,…

Nói đến thiên văn là nó đến vô vàn các hiện tượng, các phát hiện mới, trong số đó có những hiện tượng chúng ta có thể thấy ngay bằng mắt thường, tiêu biểu trong số đó là : sao chổi Mặc dù con người không ngừng tìm hiểu

về sao chổi nhưng nó vẫn mang đầy bí ẩn và vẫn là một kỳ quan của tự

nhiên, thu hút các nhà khoa học tìm hiểu, khám phá Và mỗi một sao chổi hình thành hay mất đi do va chạm với các thiên thể khác luôn đem đến cho các nhà khoa học những băn khoăn và cả câu hỏi phải đi tìm lời giải đáp Vậy sao chổi là gì? và có phải lúc nào nó cũng đẹp lung linh hay không, hay còn tiềm ẩn những mối hiểm nguy nào với trái đất? – Lịch sử phát hiện và theo dõi các ngôi sao chổi ra sao… Trong phạm vi bài tiểu luận chúng ta sẽ

đi tìm hiểu về vấn đề này

I Khái quát về sao chổi

1.1 Khái niệm sao chổi:

Sao chổi là một thiên thể bay ngoài không gian, nó gần như một tiểu hành tinh, nhưng không được cấu tạo từ đất đá mà chủ yếu là từ băng Sở dĩ

chúng có tên là sao chổi vì thường có hình thù kỳ dị, đầu nhọn, đuôi to giống một chiếc chổi quét nhà Các nhà khoa học đã mô tả nó giống như “một quả bóng tuyết bẩn” vì nó chứa carbonic, metan, nước đóng băng lẫn với bụi và các khoáng chất

Một học thuyết nữa đặt ra đã bác bỏ thuyết gọi sao chổi là “sao” vì người ta

cho rằng nó chỉ là một khối khí lạnh trong đó chứa đầy các mảnh vụn và bụi

vũ trụ Nó là “mẹ” của những vì sao băng rực sáng trên bầu trời, vì khi bị vỡ

ra, nó sẽ tạo thành từng đám sao băng và bụi vũ trụ rơi vào khoảng không Tùy thời điểm và vị trí bị vỡ của sao chổi, người ta có thể quan sát được những đám sao băng từ trái đất

Các nhà nghiên cứu thiên văn chia sao chổi thành 3 loại, ngắn hạn, dài hạn

và sao chổi thoáng qua Sao chổi ngắn hạn có chu kỳ quỹ đạo ít hơn 200 năm, sao chổi dài hạn có chu kỳ lớn hơn Còn sao chổi thoáng qua có quỹ đạo parabol hoặc hypecbol, chúng bay qua mặt trời một lần và sẽ ra đi mãi mãi sau đó

Mỗi năm có hàng trăm sao chổi được tạo ra ngoài vũ trụ nhưng chỉ có những sao chổi lớn và có chu kỳ đặc biệt được chú ý, như sao chổi Halley nổi tiếng chẳng hạn Nó được phát hiện vào thế kỷ 18 và là sao chổi đầu tiên được phát hiện quay trở lại trái đất Các nhà khoa học dự đoán nó sẽ quay trở lại trái đất trong thế kỷ 21, khoảng vào năm 2061

Tại sao sao chổi lại có đuôi ?

Sao chổi là một nhân đá được bao phủ bởi băng và bụi Hiếm khi đường kính của nó vượt qua 5km Khi một ngôi sao chổi bay lại sát mặt trời, nhiệt

độ làm nóng chảy phần bên ngoài của nó, phần này bốc hơi Khí và bụi khi

đó tạo thành một đám mây, ánh sáng mặt trời chiếu vào sẽ thổi nó về hướng ngược lại Đó là cái đuôi sao chổi

Những ngôi sao chổi quá thường xuyên bay sát mặt trời sẽ mất đi rất nhiều vật chất Đuôi của chúng chứa đựng ít khí dần đi và nhiều bụi dần đi

Vì vậy thường những ngôi sao chổi luôn có hai đuôi, một cái đuôi khí và một cái đuôi bụi

Sau vài trăm lần đi qua gần sát mặt trời, sao chổi không còn lại gì ngoài nhân không nhìn thấy được Đây là một trong số những bộ khung xương của sao chổi Năm 1910, trái đất đã đi qua cái đuôi của sao chổi Halley Nhưng không có thiệt hại nào xảy ra hết

1 2.Lịch sử khám phá :

Thảm Bayeux, thế kỷ 11, miêu tả về quan sát sao chổi Halley năm 1066

Theo các thẻ khắc trên xương của người Trung Hoa cổ đại, sự hiện diện của sao chổi đã được con người biết đến từ nhiều nghìn năm trước Người Trung Quốc cổ xưa cho rằng sao chổi mang đến điềm xấu, báo trước sự nguy hiểm tính mạng cho vua chúa hay quan lại Tuy nhiên trong sách Thiên luận, Tuân Tử (313-230 TCN) đã bác bỏ điều mê tín này Trong lịch sử văn minh Hy Lạp và Ả Rập, sao chổi từng được coi là sự tấn công của thiên đàng xuống trần gian Các ghi chép về "sao rơi" trong các sách Gilgamesh, Sách Khải Huyền và sách Enoch có thể đã nói đến sao chổi hay sao băng Trong quyển sách đầu tay Khí tượng học, Aristotle nhận xét về các sao chổi bay qua bay lại trên bầu trời phương Tây suốt hai nghìn năm Ông đã lật lại quan niệm của một số nhà triết học đi trước miêu tả các sao chổi là các hành tinh, hay các hiện tượng liên quan đến các hành tinh Ông dựa trên quan sát về chuyển động của các hành tinh nằm gần mặt phẳng hoàng đạo, trong khi các sao chổi có thể xuất hiện từ bất cứ nơi nào, để đi đến kết luận rằng sao chổi là các hiện tượng xảy ra trên tầng cao khí quyển Trái Đất, nơi

mà các luồng khí nóng và khô tập trung và thỉnh thoảng bùng cháy Ông mở rộng cơ chế này để giải thích cho cả sao băng, cực quang và, thậm chí, cả Ngân Hà

Các nhà hiền triết sau này đã tranh luận về quan điểm về sao chổi trên Seneca Trẻ, trong sách Các Câu hỏi về Tự nhiên, đã quan sát thấy các sao chổi bay qua lại theo quỹ đạo đều đặn, không bị ảnh hưởng bởi gió, một đặc tính của hiện tượng vũ trụ hơn là hiện tượng khí quyển Mặc dù ông cũng đồng ý rằng các hành tinh đều di chuyển gần mặt phẳng hoàng đạo, ông thấy không có lý do nào ngăn cản các vật thể giống hành tinh có thể di chuyển ở các vùng trời khác, và rằng kiến thức của con người về vũ trụ còn hạn hẹp Tuy nhiên, cách nhìn của Aristotle đã vẫn có ảnh hưởng sâu; cho đến tận thế

kỷ 16 người ta mới chứng minh được rằng sao chổi là hiện tượng nằm ngoài khí quyển

Năm 1577, một sao chổi sáng đã được quan sát trong suốt vài tháng Nhà thiên văn học Đan Mạch Tycho Brahe đã sử dụng các đo đạc về vị trí sao chổi này của ông và của những người quan sát ở các nơi cách xa, để thu được kết quả là sao chổi có thị sai rất nhỏ, đến mức không đo được Với độ chính xác của các phép đo đạc lúc đó, đây là bằng chứng cho thấy sao chổi này phải cách Trái Đất ít nhất hơn 4 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng

1.3 Một vài hình ảnh chụp sao chổi

Sao chổi 2 đuôi Hale Bopp 1997:

Sao chổi McNaught 2007 Đáng tiếc là Việt Nam ta không thấy được Ở Miền Bắc có thể thấy được phần đuôi của nó, nhưng lại vào mùa mưa bão Đây là một trong những sao chổi đẹp nhất trong lịch sử

Sao chổi Halley:

II Đặc điểm, quỹ đạo, vòng đời của sao chổi

2.1 Đặc điểm

Sao chổi cấu tạo từ cácboníc mêtan và nước đóng băng lẫn với các hợp chất hữu cơ cao phân tử và các khoáng chất khác Chúng bay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo rất dẹt và trong phần lớn cuộc đời nằm ở rất xa Mặt Trời, trong trạng thái đóng băng tại nhiệt độ thấp Khi sao chổi tiến về gần Mặt Trời, tức

là vào vòng trong Hệ Mặt Trời, bức xạ điện từ của Mặt Trời khiến các lớp băng bên ngoài bắt đầu thăng hoa Dòng bụi và khí bay ra tạo nên một bầu

"khí quyển" lớn nhưng rất loãng bao quanh sao chổi gọi là phần đầu sao chổi Tiến gần thêm, áp suất bức xạ và gió Mặt Trời thổi vào bầu khí quyển này kéo dài nó ra thành hai đuôi khồng lồ Bụi và khí tạo hai đuôi riêng rẽ, chĩa về hai phương hơi lệch nhau; các hạt bụi có khối lượng lớn không dễ bị gió Mặt Trời tác động, chỉ bị tách rời khỏi phần đầu của sao chổi và bay chậm lại trên quỹ đạo ngay sau phần đầu (do đó đuôi bụi cong theo đường cong của quỹ đạo) còn đuôi khí (đúng hơn là khí đã bị ion hóa) chứa các hạt ion nhẹ, dễ dàng bị gió Mặt Trời thổi theo phương nối thẳng đến Mặt Trời,

và sau đó chúng đi theo đường sức từ trong không gian thay cho đường quỹ đạo Hạt nhân sao chổi nằm lại bên trong là những khoáng chất nặng, hay chất hữu cơ cao phân tử, chỉ có đường kính khoảng 50 km Trong khi đó phần đầu sao chổi có thể lớn hơn cả Mặt Trời, còn đuôi sao chổi có thể kéo dài đến cỡ một đơn vị thiên văn hoặc hơn

Cả phần đầu và đuôi, hình thành khi sao chổi đi vào vòng trong Hệ Mặt Trời, đều được chiếu sáng bởi Mặt Trời và có thể trở nên rực rỡ cho quan sát

từ Trái Đất Đuôi bụi tán xạ trực tiếp ánh nắng theo cơ chế Mie, tạo nên màu trắng, còn đuôi khí bị ion hóa phát ra photon năng lượng cao, có quang phổ thiên về màu xanh lam Thực tế là đa số sao chổi sáng yếu đến mức chỉ quan sát được qua kính viễn vọng Mỗi thập kỷ, chỉ có vài sao chổi đủ sáng cho quan sát bằng mắt thường Trước khi có kính thiên văn, các sao chổi dường như đột ngột xuất hiện rồi đột ngột biến mất trên bầu trời

Một điều có thể gây ngạc nhiên là các hạt nhân của sao chổi thuộc vào hàng các vật thể đen nhất trong Hệ Mặt Trời Tàu Giotto đo được hạt nhân của sao chổi Halley phản xạ lại 4% ánh sáng chiếu đến, còn tàu Deep Space 1 tìm thấy sao chổi Borrelly chỉ có hệ số phản xạ khoảng 2,4% đến 3%; để so sánh, nhựa đường phản xạ 7% ánh sáng Có thể lý giải bề mặt tối này qua cấu tạo của hạt nhân gồm chủ yếu các hợp chất hữu cơ Sức nóng của Mặt Trời làm bốc hơi các hợp chất nhẹ, để lại các phân tử nặng có chuỗi hữu cơ

rất dài thường có xu hướng sẫm màu, như tro hay dầu thô Màu đen của sao chổi tạo nên khả năng hấp thụ nhiệt mạnh, tăng cường quá trình bốc hơi các chất khí

Năm 1996, sao chổi được phát hiện là có phát ra tia X Các tia này đã gây một sự ngạc nhiên cho các nhà khoa học vì chưa ai tiên đoán điều này trước

đó Cơ chế phát ra tia X có thể được giải thích dựa vào tương tác giữa sao chổi và gió Mặt Trời: khi các ion bay từ Mặt Trời qua đuôi sao chổi, chúng

va chạm vào các nguyên tử hay phân tử trong đuôi này Trong các va chạm, các ion tích điện dương sẽ bắt lấy một hoặc vài điện tử của đuôi sao chổi Đuôi sao chổi bị ion hóa, còn các điện tử bị rơi vào ion đến từ Mặt Trời phát

ra photon có tần số thuộc vùng cực tím hay X quang

2.2: Quỹ đạo

Theo quỹ đạo, sao chổi được phân chia thành các loại: sao chổi ngắn hạn

có chu kỳ quỹ đạo ít hơn 200 năm, sao chổi dài hạn có chu kỳ quỹ đạo lớn

hơn, nhưng vẫn quay trở lại, và sao chổi thoáng qua có quỹ đạo parabol hay hyperbol chỉ bay ngang qua Mặt Trời một lần và sẽ ra đi mãi mãi sau đó Ví

dụ về sao chổi ngắn hạn, có sao chổi Encke có quỹ đạo nhỏ bé, không bao giờ ra xa Mặt Trời hơn Sao Mộc

Như mọi thiên thể chuyển động trên quỹ đạo dưới tác dụng của lực hấp dẫn, các sao chổi chuyển động nhanh nhất tại cận điểm quỹ đạo và chậm nhất tại viễn điểm quỹ đạo

Do các sao chổi có khối lượng nhỏ, khi chúng bay ngang qua các hành tinh lớn, quỹ đạo của chúng dễ bị nhiễu loạn Với các sao chổi ngắn hạn, kết quả của sự nhiễu loạn này, về lâu dài, khiến cho viễn điểm quỹ đạo của chúng trùng với bán kính quỹ đạo của các hành tinh lớn, trong đó nhóm sao chổi nằm gần Sao Mộc có số lượng lớn nhất, như thể hiện biểu đồ tần xuất Sao Mộc là nguồn gây nhiễu loạn mạnh nhất, vì khối lượng của nó lớn gấp đôi khối lượng tổng cộng của các hành tinh khác, và nó chuyển động nhanh hơn các hành tinh lớn khác Các sao chổi dài hạn cũng thường xuyên bị nhiễu loạn khi đi ngang qua các hành tinh lớn

2.3 Vòng đời

Các sao chổi ngắn hạn được cho là có nguồn gốc từ vành đai Kuiper, còn các sao chổi dài hạn có thể đến từ đám Oort Có nhiều khả năng chúng chứa

các vật chất từ thời kỳ Hệ Mặt Trời mới khai sinh, đặc biệt là các sao chổi dài hạn

Để giải thích tại sao các sao chổi chuyển từ quỹ đạo trong vành đai

Kuiper hay đám Oort sang quỹ đạo rất méo tiến về phía Mặt Trời, nhiều cơ chế đã được gợi ý Các cơ chế này chủ yếu dựa trên nhiễu loạn của trường hấp dẫn Đối với các sao chổi dài hạn, nhiễu loạn này có thể gây ra bởi các sao khác khi Mặt Trời quay quanh tâm Ngân Hà, hay từ ngôi sao gần Mặt Trời là Nemesis Đối với các sao chổi ngắn hạn, chuyển động của các hành tinh lớn, đặc biệt là Sao Mộc, hay thậm chí từ một hành tinh chưa được quan sát là hành tinh X, sẽ dần phá vỡ vành đai Kuiper và gây tụ tập các sao chổi gần các hành tinh này

Các sao chổi không tồn tại ổn định trên quỹ đạo, ngoài nguyên nhân từ nhiễu loạn hấp dẫn, còn có nguyên nhân từ sự hao hụt khối lượng và thay đổi cấu trúc mỗi khi lại gần Mặt Trời Một lượng lớn các vật chất nhẹ của chúng bị thổi bay khi tạo thành các đuôi dưới sự đun nóng của bức xạ Mặt Trời và áp suất của gió Mặt Trời, trong giai đoạn bay gần cận điểm quỹ đạo Thiếu liên kết của các vật chất nhẹ, các vật chất nặng có thể dần bị tan rã, đặc biệt khi có tác động của lực thủy triều từ các hành tinh lớn Kết cục là sau nhiều vòng quay, trên một quỹ đạo không thực sự ổn định, khối lượng của sao chổi giảm dần, ngày càng bị nhiễu loạn, rồi tan rã Một số sao chổi cũng kết thúc cuộc đời bằng một va chạm với các thiên thể khác Năm 1994, các nhà thiên văn đã được chứng kiến kết thúc ngoạn mục của sao chổi

Shoemaker-Levy 9, khi nó tan thành nhiều mảnh rồi đâm vào Sao Mộc Một

số sao chổi không tan rã dần trở thành các tiểu hành tinh, với hạt nhân hết khả năng thăng hoa

Trong giai đoạn đầu hình thành Hệ Mặt Trời, người ta phỏng đoán số lượng các sao chổi, hay các mảnh vật chất bay qua lại trong hệ là rất lớn Chúng bị dọn dẹp dần sau các vụ va chạm, mà dấu tích còn để lại trên nhiều bề mặt của các hành tinh Số lượng của sao chổi được duy trì ở mức độ như ngày nay là nhờ nguồn cung cấp ổn định từ vòng đại Kuiper và đám Oort, theo cơ chế nhiễu loạn hấp dẫn Các sao chổi, cùng các mảnh vật chất lang thang của thời kỳ đầu của Hệ Mặt Trời, cũng được cho là nguồn cung cấp những vật liệu cần thiết cho hình thành sự sống, như các chất hữu cơ, hay nước, không chỉ cho Trái Đất mà còn cho các hành tinh nhỏ khác như Sao Hỏa, khi chúng rơi vào các hành tinh này.

III Sao chổi dưới sự quan sát, nhìn nhận của con người

Các ngôi sao chổi nổi tiếng

Mỗi năm có hàng trăm sao chổi nhỏ bé bay qua gần Mặt Trời, tuy nhiên chỉ có vài sao chổi đủ lớn để được công chúng biết đến Chừng độ mỗi thập kỷ lại xuất hiện một sao chổi đủ sáng để quan sát bằng mắt thường; những sao chổi này được gọi là sao chổi lớn Sao chổi lớn thường đem lại phản ứng tiêu cực trong công chúng trong quá khứ, vì người ta đã nghĩ chúng đem lại điều không lành Trong lần quay trở lại vào năm 1910, đuôi của sao chổi Halley đã quệt qua Trái Đất, gây nên lo lắng vô căn cứ rằng chất xyanogen trong đuôi này có thể gây ra ngộ độc cho loài người Hay như

sự xuất hiện của sao chổi Hale-Bopp năm 1997 đã gây nên một vụ tự tử tập thể của nhóm cuồng giáo Cổng Thiên Đàng Tuy nhiên, các sao chổi lớn, đối với đa số, chỉ là môt hiện tượng thiên nhiên đẹp mắt

Halley.

12 Hale-Bopp

McNaught.

3.2 Sao chổi và sự sống trên các hành tinh

Một số các ngôi sao có hoạt động sao chổi dầy đặc xung quanh và điều đó

có thể đã tiêu diệt sự sống có thể đã nẩy mầm trên một trong các hành tinh quay xung quanh các ngôi sao đó Một nghiên cứu đang được tiến hành để xác định xem số các ngôi sao không thể duy trì sự sống trong các hành tinh của mình bởi vì sự hoạt động quá mạnh mẽ của các sao chổi , chiếm một tỷ

lệ là bao nhiêu

Rất nhiều sao chổi trong hệ Mặt trời của chúng ta được phát hiện xuất phát từ vành đai Kuiper, đó là một đĩa chứa đầy những mảnhh vụn đất đá, kéo dài từ quỹ đạo của Neptune (30 AU) vươn xa tới gần gấp đôi giá trị khoảng cách đó Ở các ngôi sao khác, người ta thấy rằng cũng có một vành đai Kuiper tương tự bao quanh

Jane Greaves thuộc ĐHTH St Adnrew ở Scotland nói:” Các vành đai đó được cấu tạo từ bụi và mảnh đất đá vỡ ra từ những vụ va chạm giữa các tiểu hành tinh hoặc sao chổi”

Theo các số liệu của Kính thiên văn vũ trụ Spitzer thì gần 20 phần trăm những ngôi sao giống và thuộc lân cận Mặt trời có những vành đai vật chất bao quanh và thậm chí còn dầy dặc hơn vành đai Kuiper của hệ Mặt trời của chúng ta Càng nhiều bụi và vụn đất đá có nghĩa là càng nhiều sao chổi, nhưng liệu điều đó có đồng nghĩa với việc sẽ có càng nhiều những vụ va chạm huỷ diệt của các tiểu hành tinh hoặc sao chổi khi chúng bắn phá những hành tinh giống Trái đất đang bay quanh quỹ đạo ở những ngôi sao xa xôi kia? Đó là câu hỏi đặt ra của các nhà nghiên cứu

Câu trả lời phụ thuộc vào liệu ở những hệ mặt trời xa lạ đó có tồn tại những hành tinh khí khổng lồ bay ở vòng ngoài hay không Thật may là hệ Mặt trời của chúng ta có những hành tinh khí như vậy

Sao Mộc được biết đã đóng vai trò làm lá chắn cho Trái đất bằng cách làm chệch hưóng nhiều sao chổi và lái chúng không cho xâm nhập vào khu vực bên trong của hệ Mặt trời Tuy nhiên vào năm 2007, các nhà khoa học cũng

đã chỉ ra rằng sao Mộc cũng lại “tạo điều kiện” cho một số sao chổi đi vào quỹ đạo của Trái đất Trên thực tế, nếu kích thước của sao Mộc mà chỉ bằng sao Thổ, hẳn số vụ va chạm với sao chổi trên Trái đất của chúng ta đã phải nhiều hơn đáng kể

Greaves cũng đã lập mô hình mô phỏng quá trình các sao chổi bị ảnh hưởng bởi những hành tinh khí khổng lồ như thế nào Những kết quả ban đàu của