Sao Băng - Mưa Sao Băng Kỳ 1/2

Sao Băng - Mưa Sao Băng

(Shooting Star – Meteor Shower)

Kỳ 1/2

Tôi vẫn còn nhớ như in những hình ảnh về bầu trời đêm lúc còn nhỏ khi gia đình tôi di chuyển về sinh sống ở thành phố Nha Trang khoảng thập niên cuối 1950 dầu 1960. Thuở ấy điện chỉ có trong thành phố còn vùng ngoại ô như Xóm Mới, nơi gia đình cư ngụ thì đèn dầu là phương tiện thắp sáng duy nhất. Đèn dầu là tượng trưng cho nghèo và thiếu văn minh... nhưng với tôi thì hình như không như vậy. Mỗi đêm khi trời không trăng và không mưa, bầu trời không bị ánh sáng văn minh xâm lấn thật là đen và xa thẳm sao chi chít chen chúc trên bầu trời. Sau khi học bài, làm bài xong, ba tôi dẫn tôi ra ngoài sân có kê 2 cái ghế bố loại nằm chơi. Hai cha con ngữa mặt nhìn lên bầu trời chi chít sao và chỉ cho tôi biết những vì sao. Nào sao Cày, sao Thần Nông, chòm sao Lạp hộ, Thất nữ...Ngưu lang, Chức nữ... và đặc biệt là dãy Ngân hà rõ mồm một từ Đông sang Tây vắt ngang bầu trời rồi kể cho tôi nghe những câu chuyện dân gian về các vì sao. Thỉnh thoảng một ngôi sao băng như một vạch sáng rực rỡ vắt ngang bầu trời. Ba tôi nói nếu con ước muốn điều gì, hãy cố nói điều ước đó cho xong trước khi ngôi sao băng biến mất. Vì đó là một linh hồn đang lìa trần nên rất linh thiêng! Tôi chưa bao giờ làm được điều này và điều không thể thực hiện này vẫn làm tôi ấm ức cho đến bây giờ, dù biết đó chỉ có trong truyện cổ tích. Từ đó tôi yêu thích thiên văn, thích nhìn lên bầu trời đầy sao, đầy dẫy những câu chuyện bí ẩn, thỉnh thoảng một ngôi sao băng vụt ngang bầu trời. Nó như có một ma lực quyến rũ...

Nhưng cái thích đó cũng chỉ là ý thích vì ngành Thiên văn học hình như không có ở VN cho mãi đến gần đây, mặt khác điều kiện kinh tế hạn chế khó có thể sắm được một cái kính viễn vọng dù là loại rẻ tiền nhất nên việc ngắm sao băng là cái thú khả dĩ nhất, chỉ cần mắt trần. Tôi vẫn thắc mắc sao băng là gì? Và khi nào thì gọi là mưa sao băng? Câu trả lời chỉ có khi đến gần đây tôi có điều kiện tiếp xúc với một xứ sở có nền Thiên Văn học hàng đầu thế giới.

Sao Băng – Shooting Star

Thỉnh thoảng, vào một đêm trời quang đãng, một vệt sáng nhỏ vụt qua bầu trời. Thường được gọi là một ngôi sao băng, nó thực sự là một tảng đá không gian, thường khá nhỏ cỡ viên cuội sỏi khi đi vào bầu khí quyển lực cản của không khí tác động lên trên viên đá khiến nó trở nên cực kỳ nóng, bề mặt bên ngoài của nó bắt lửa và bốc cháy tạo thành một vệt sáng vút ngang bầu trời. Vào những thời điểm nhất định trong năm, một “cơn mưa rào” của những tảng đá này có thể xâm nhập vào thượng tầng bầu khí quyển, tạo ra màn trình diễn ánh sáng thoáng qua nhưng lộng lẫy.

Những gì chúng ta thấy là một "ngôi sao băng." Vệt sáng đó thực ra không phải là đá mà là luồng khí nóng phát sáng khi viên đá xuyên qua bầu khí quyển.

Bầu khí quyển của Trái đất được tạo thành từ các lớp không khí, chúng càng lúc càng trở nên dày đặc hơn khi đến gần mặt đất. Khi viên đá không gian bắt đầu va vào tầng trung lưu, chúng gặp đủ lực ma sát từ không khí khiến chúng nóng lên và bắt đầu bốc cháy.

Khi Trái đất chạm trán với nhiều thiên thạch nhỏ cùng một lúc, chúng ta gọi nó là mưa sao băng.

Tại sao Trái đất lại gặp phải nhiều thiên thạch cùng một lúc? 

Các sao chổi, cũng giống như Trái đất và các hành tinh khác, chúng quay quanh mặt trời nhưng không giống như quỹ đạo hình bầu dục của các hành tinh, quỹ đạo của sao chổi thường khá tròn.

Khi sao chổi tiến đến mặt trời hơn (cận điểm của quỷ đạo), bề mặt băng giá của nó sôi lên, giải phóng rất nhiều hạt bụi và đá. Các mảnh vỡ bụi, đá này của sao chổi này tỏa ra rải rác dọc theo quỷ đạo của sao chổi, đặc biệt là phần bên trong của quỷ đạo đối diện với mặt trời bên trong (nơi có trái đất chúng ta đang sống). Sức nóng của mặt trời làm sôi lên ngày càng nhiều các khối băng và mảnh vụn đá, khi đó chúng ta được chứng kiến mưa sao băng. Sau đó, vài lần mỗi năm khi Trái đất thực hiện hành trình quay quanh mặt trời, quỹ đạo của nó vượt qua quỹ đạo của một sao chổi, có nghĩa là bầu khí quyển của trái đất sẽ bị một loạt các mảnh vụn sao chổi xâm nhập và chúng ta lại có mưa sao băng.

Khi những mảnh vụn của sao chổi này khá lớn có thể đi xuyên qua bầu khí quyển sẽ tạo ra một tiếng nổ khi tiếp xúc với mặt đất. Mảnh vụn lớn này được gọi là thiên thạch.

Nhưng đừng lo! Đại đa số các thiên thạch thường nhỏ, từ kích thước hạt bụi đến kích thước của một viên sỏi. Chúng hầu như luôn đủ nhỏ để nhanh chóng bốc cháy trong bầu khí quyển của chúng ta, vì vậy có rất ít khả năng chúng sẽ tấn công bề mặt Trái đất. Và chúng ta có một cơ hội tốt có thể nhìn thấy một màn trình diễn sao băng tuyệt đẹp vào giữa đêm!

Trong trường hợp có mưa sao băng, các vệt sáng có thể xuất hiện ở bất kỳ đâu trên bầu trời, nhưng "đuôi" của chúng đều hướng về cùng một điểm trên bầu trời. Lý do là vì tất cả các thiên thạch đến với chúng ta từ cùng một góc, khi chúng đến gần Trái đất hơn, hiệu ứng của phối cảnh khiến chúng dường như xa nhau hơn làm chúng ta có cảm giác sao băng xuất hiện khắp nơi trên bầu trời. Hiện tượng đó giống như ta đứng ở giữa đường ray tàu hỏa và nhìn  về hướng hai đường ray đến với nhau ở phía xa.

Nguồn gốc của mưa sao băng sẽ phụ thuộc vào việc ta đang xem trận mưa sao băng nào? xuất phát từ đâu? và vào thời điểm nào trong năm?. Mỗi hiện tượng sao băng có xu hướng diễn ra vào cùng một thời điểm mỗi năm - khi Trái đất tiến gần quỷ đạo một sao chổi có nhiều mảnh vỡ băng (nước đá) và hạt bụi. Điều này xảy ra tại cùng một vị trí trên quỹ đạo hàng năm của trái đất chúng ta quay quanh mặt trời. 

Tên của mưa sao băng được đặt theo chòm sao mà từ đó các thiên thạch xuất hiện. Ví dụ, Mưa sao băng Orionids, xảy ra vào tháng 10 hàng năm, có nguồn gốc gần chòm sao Lạp hộ, Thợ săn (Orion, the Hunter).

Bên cạnh những sao băng có nguồn gốc từ các mảnh vụn sao chổi, còn có những sao băng có nguồn gốc là rác không gian (các vệ tinh do con người phóng lên vũ trụ), một số thậm chí có thể là tiểu hành tinh. Loại cuối cùng đó có thể đủ lớn để gây nguy cơ chết người cho bất cứ thứ gì nằm trên đường đi của chúng. 

Hầu hết các thiên thạch đi vào bầu khí quyển của Trái đất đều bốc cháy trước khi chạm tới mặt đất. Nhưng có những trường hợp ngoại lệ. Miệng núi lửa Barringer ở Arizona này đánh dấu nơi một thiên thạch rộng 30-50 mét (98 đến 164 foot) đâm vào trái đất 49.000 năm trước.

Tuy nhiên, hầu hết đều là những ngôi sao băng bay trên cao, im lặng. Chúng như những viên sỏi có kích thước bằng hạt đậu bay vào không khí. Điều đó có nghĩa là bạn có thể cất toàn bộ trận mưa sao băng đã xem tại địa phương trong chiếc ba lô của mình. 

Lực hấp dẫn của Trái đất kéo bất kỳ thiên thach nào gần đó. Khi chúng bị kéo vào bầu khí quyển trên cao, gặp phải lực cản. Lực ma sát này giải phóng một lượng nhiệt rất lớn, đốt cháy thiên thạch tạo nên ngọn lửa rực rở nhiều màu sắc. 

Mỗi trận mưa sao băng đều có một điểm bức xạ. Đó là một điểm trên bầu trời mà từ đó tất cả các sao băng xuất hiện. Đó là hướng mà Trái đất xoay trên quỷ đạo và xuyên qua quỷ đạo các mảnh vỡ. Hành tinh chúng ta bị các thiên thạch riêng lẻ tấn công từ góc đó. Nếu bạn nhìn ngay vào điểm bức xạ, bạn sẽ chỉ thấy một tia sáng lóe lên. Những sao băng mà bạn bắt gặp khi nhìn ở góc vuông (nghiêng) với tia sáng sẽ có đuôi dài và rực rỡ. 

Hãy hình dung bạn đang lái xe qua một cơn mưa lớn vào ban đêm. Khi nhìn về phía trước qua kính chắn gió, tất cả những giọt mưu dường như đang hướng thẳng vào bạn vì bạn đang di chuyển thẳng vào chúng. Nhưng nếu nhìn ra cửa sổ bên trái hoặc bên phải và bạn sẽ thấy những giọt mưa rơi xuống giống như những đốm sáng trắng, tạo thành những vệt dài sáng. Đó là bởi vì bạn đang chuyển động thẳng góc với chuyển động của các mảnh vỡ. 

Màu Sắc Của Chúng Đến Từ Đâu?

Mỗi mưa sao băng đều có đặc điểm riêng biệt. Mưa sao băng từ chòm sao Geminids vào tháng 12 là tuyệt vời nhất. Chúng có màu xanh lục bảo, hồng và tím. 

Mưa sao băng Perseid tháng 8 mang đến những vệt màu hồng, xanh chanh và tím. Chúng vụt qua bầu trời trong chớp mắt. 

Mưa sao băng Orionids vào tháng 10 thì nhanh hơn nhưng mờ hơn. Vệt của chúng có ánh sáng màu trắng cam nhẹ nhàng. 

Có hai quá trình giải thích cho những màu sắc đó:

Khi một thiên thạch lao qua khoảng chân không trong không gian, không có gì để làm chúng chậm lại ngoài trái đất. Và một khi nó gặp sức cản không khí ở phần rìa của tầng khí quyển của Trái đất khoảng 80 km (50 dặm) lực ma sát bắt đầu làm nó nóng lên, tiến vào tầng khí quyển càng dày, thiên thạch càng nóng lên, rồi cực kỳ nóng! Sức nóng đó cuối cùng làm cho đá bốc cháy. Ngọn lửa của nó sẽ có nhiều màu sắc khác nhau, tùy thuộc vào thành phần của đá. Các thành phần nguyên tố của thiên thạch quyết định màu sắc phát sáng của nó. Trong đó các nguyên tố kim loại có xu hướng cháy sáng nhất. 

Các nhà nghiên cứu của Viện Thiên văn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Séc đã nghiên cứu điều này vào năm 2008. Họ đã quan sát các trận mưa sao băng từ chòm sao Geminid từ 2004 đến 2006. Họ cho biết các thiên thạch được quan sát bằng máy quay video tăng cường độ nét của hình ảnh. Sau đó, áp dụng một quy trình gọi là spectroscopy (quang phổ) - xem xét cách vật liệu tương tác với ánh sáng hoặc phát ra ánh sáng. Nghiên cứu này cho thấy một số thiên thạch từ mưa sao băng Geminid bốc cháy rất giàu magnesium, muối natri và sắt, chúng cho màu xanh lục bảo, hồng và tím. Mưa sao băng từ chòm Perseids vào tháng 8 lại cho thấy thành phần của silicon and calcium cho những vệt màu hồng, xanh chanh và tím.

Nếu những thành phần nguyên tố này nghe có vẻ quen thuộc, đó là vì bạn có thể đã nhìn thấy chúng xuất hiện đầy đủ trên nhãn của các hộp thực phẩm ăn sáng. Nhưng không có nghĩa là đổ một hộp thực phẩm này qua cửa tầng 5 của một cao ốc bạn sẽ tạo nên mưa sao băng. Tại sao?

Là vì tốc độ cũng quan trọng không kém các thành phần nguyên tố của thiên thạch.

Khi một thiên thạch xuyên nhanh qua bầu khí quyển, nó tạo sức nén lên lớp đệm không khí bị mắc kẹt phía trước nó. “Gối hơi” đó bị ép chặt đến mức nóng. Và khi các phân tử hấp thụ đủ năng lượng (ở đây là nhiệt), chúng có thể trở nên kích thích - theo nghĩa vật lý. Tiếp đó chúng sẽ giải phóng các gói ánh sáng được gọi là photon. Năng lượng đi vào càng nhiều, lượng ánh sáng được giải phóng càng lớn. Các photon năng lượng cao hơn sẽ phát ra ánh sáng có tần số cao hơn - còn được gọi là bước sóng ngắn hơn. Ánh sáng tím có tần số cao hơn ánh sáng đỏ. Tia tử ngoại có tần số cao hơn tia hồng ngoại. 

Vì photon năng lượng trong thành phần nguyên tố của sao băng Geminids thấp hơn nên ánh sáng của chúng chủ yếu là màu xanh lục. Ngay cả sau khi một thiên thạch đi qua, phải mất một khoảng thời gian để mức năng lượng của các phân tử không khí trở lại bình thường. Đó là lý do tại sao vẫn còn một đuôi ánh sáng lung linh kéo dài. Ánh sáng đó cũng có thể kèm theo khói. 

Rất hiếm khi một thiên thạch sống sót và đâm vào mặt đất. Trung bình, một thiên thạch có kích thước bằng quả bóng rổ rơi xuống bề mặt Trái đất mỗi tháng. 

Để đến được mặt đất, nó phải có kích thước đủ lớn để không bị cháy hoàn toàn trong quá trình di chuyển qua bầu khí quyển. 

Các thiên thạch sống sót để đến được tầng khí quyển thấp hơn sẽ gặp nhiều sức cản của không khí hơn và kết quả là cháy rất sáng tạo ra những quả cầu lửa. Những trận mưa sao băng Geminid vào tháng 12 và Perseids vào tháng 8 thường tạo ra số lượng lớn các quả cầu lửa.

Một số tảng đá không gian đã rơi xuống phía tây thành phố Detroit, Michigan vào 1/2018 (hình dưới) 

Gần 50.000 năm trước, một tảng lớn hơn rất nhiều rơi xuống ở vùng đất bây giờ là bang Arizona. Miệng núi lửa Barringer mà nó để lại rộng gần 1.6 km (1 dặm) và sâu 174 mét (570 foot). Khai quật được 175 triệu tấn đá. (hình dưới)