การศึกษาลักษณะทางกายภาพ
ไอแซก นิวตัน ได้อธิบายลักษณะของดาวหางไว้ว่าเป็นวัตถุแข็งทนทานเคลื่อนที่ไปด้วยวงโคจรโค้งรี หางของมันเป็นแนวละอองไอบาง ๆ ที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียส สามารถจุดติดไฟขึ้นได้ด้วยความร้อนจากดวงอาทิตย์ นิวตันสงสัยว่าดาวหางเป็นต้นกำเนิดขององค์ประกอบอันจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต และยังเชื่อว่าไอระเหยของดาวหางเป็นต้นกำเนิดของน้ำบนดาวเคราะห์ (ซึ่งต่อมาทำให้เกิดดินจากการเติบโตและเน่าเปื่อยของพืช) ส่วนดวงอาทิตย์เป็นแหล่งเชื้อเพลิง
ช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 18 นักวิทยาศาสตร์บางคนให้ข้อสมมุติฐานที่ถูกต้องเกี่ยวกับองค์ประกอบทางกายภาพของดาวหาง ในปี ค.ศ. 1755 อิมมานูเอิล คานท์ สันนิษฐานว่าดาวหางประกอบด้วยสสารที่ระเหิดได้ง่าย การระเหิดเป็นไอทำให้มันส่องแสงสว่างเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์[32] ปี ค.ศ. 1836 นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน ฟรีดริช วิลเฮล์ม เบสเซล ซึ่งได้เฝ้าสังเกตดาวหางฮัลเลย์ในปี 1835 ได้เสนอว่าแรงดันของแก๊สที่พวยพุ่งบนพื้นผิวเป็นแรงเคลื่อนสำคัญที่ทำให้วงโคจรของดาวหางเปลี่ยนแปลงไป และยังเสนอว่าการที่ดาวหางเองเคอเปลี่ยนแปลงทิศทางโคจรก็เนื่องมาจากกลไกนี้[32]
อย่างไรก็ดี การค้นพบอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับดาวหางได้บดบังสมมุติฐานเหล่านี้เป็นเวลาเกือบศตวรรษ ตลอดช่วง ค.ศ. 1864-1866 นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี ชื่อจิโอวานนิ เชียพาเรลลิ คำนวณวงโคจรของดาวตกจากฝนดาวตกเพอร์ซิอัส (Perseid) ความคล้ายกันของวงโคจร ทำให้เขาสันนิษฐานได้อย่างถูกต้องว่าฝนดาวตกเพอร์ซิอัสเป็นชิ้นส่วนที่เกิดจากดาวหางสวิฟต์-ทัตเทิล การเชื่อมโยงระหว่างดาวหางกับฝนดาวตกได้รับการยืนยันเมื่อเกิดฝนดาวตกกลุ่มใหญ่จากวงโคจรของดาวหางบีลาในปี 1872 ซึ่งตรวจพบว่าดาวหางได้แยกออกเป็นสองส่วนหลังการปรากฏตัวในปี ค.ศ. 1846 และไม่มีการพบอีกเลยหลังปี 1852[23] เมื่อนั้นจึงเกิดทฤษฎีเกี่ยวกับโครงสร้างของดาวหางว่าประกอบด้วย “กลุ่มเศษหิน” เคลือบด้านนอกไว้ด้วยชั้นน้ำแข็ง
กลางคริสต์ศตวรรษที่ 20 กลับพบว่าแบบจำลองนี้มีข้อบกพร่องบางประการ มันไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดวัตถุซึ่งประกอบด้วยเศษน้ำแข็งจึงสามารถเปล่งแสงสว่างจากการระเหยเป็นไอได้แม้จะผ่านเข้าใกล้ดวงอาทิตย์แล้วหลายครั้ง ปี ค.ศ. 1950 เฟร็ด ลอเรนซ์ วิปเปิล เสนอว่าดาวหางอาจไม่ใช่กลุ่มหินที่มีน้ำแข็งผสมอยู่ แต่มันน่าจะเป็นก้อนน้ำแข็งที่มีฝุ่นและเศษหินผสมอยู่[39] แบบจำลอง “ก้อนหิมะสกปรก” กลายเป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา และได้รับการยืนยันเมื่อยานอวกาศหลายลำ (เช่น ยานจอตโต ขององค์การอวกาศยุโรป (European Space Agency) และ ยานเวกา 1 กับ ยานเวกา 2 ของสหภาพโซเวียต) ได้แล่นผ่านเข้าไปในโคม่าของดาวหางฮัลเลย์ในปี พ.ศ. 2529 (ค.ศ. 1986) และสามารถถ่ายภาพนิวเคลียสของดาวหางกับการพวยพุ่งของแก๊สบนพื้นผิว ยานดีปสเปซ 1 ของสหรัฐอเมริกาแล่นผ่านนิวเคลียสของดาวหางโบร์เรลลีเมื่อวันที่ 21 กันยายน พ.ศ. 2544 (ค.ศ. 2001) และยืนยันว่าลักษณะที่เกิดบนดาวหางฮัลเลย์ก็เกิดขึ้นบนดาวหางดวงอื่นด้วยเช่นกัน
ยานสตาร์ดัสต์ ที่ขึ้นสู่อวกาศเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2542 ได้เก็บชิ้นส่วนจากโคม่าของดาวหางวิลด์ 2 เมื่อเดือนมกราคม 2547 และนำตัวอย่างกลับมายังโลกเมื่อเดือนมกราคม 2549 คลอเดีย อเล็กซานเดอร์ นักวิทยาศาสตร์แห่งนาซาซึ่งศึกษารูปแบบโครงสร้างดาวหางมาเป็นเวลาหลายปี ได้รายงานในเว็บไซต์ space.com ถึงจำนวนลำของแก๊สที่มีอยู่มากมายจนน่าตื่นตะลึง การปรากฏของมันบนพื้นผิวด้านมืดและด้านสว่างของดาวหาง ความแรงของแก๊สที่สามารถยกหินก้อนใหญ่โยนออกจากพื้นผิวดาวหางได้อย่างง่ายดาย รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่านิวเคลียสของดาวหางวิลด์ 2 ไม่ได้ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ยึดกันอย่างหลวม ๆ[40]
โครงการอวกาศเมื่อเร็ว ๆ นี้และในอนาคตจะช่วยเผยข้อมูลให้เราเข้าใจธรรมชาติและองค์ประกอบของดาวหางได้มากขึ้น เดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2548 ยานดีปอิมแพ็กต์ ได้เจาะหลุมขนาดใหญ่บนดาวหางเทมเพล 1 เพื่อศึกษาโครงสร้างภายใน จากนั้นในปี พ.ศ. 2557 (ค.ศ. 2014) ยานโรเซตตา ของยุโรปจะเข้าสู่วงโคจรรอบดาวหางชูรูย์มอฟ-เกราซีเมนโค (Churyumov-Gerasimenko) โดยจะนำยานลูกขนาดเล็กลงจอดบนพื้นผิวของมัน
การถกเถียงเรื่ององค์ประกอบของดาวหาง
ภาพแสดงการพุ่งของแก๊สบนพื้นผิวดาวหางโบร์เรลลี ซึ่งมีความร้อนสูง และแห้ง
นักวิทยาศาสตร์ยังคงถกเถียงกันต่อเนื่องมาโดยตลอดว่าในดาวหางหนึ่งดวงจะมีปริมาณน้ำแข็งอยู่มากเพียงใด พ.ศ. 2544 ทีม ดีปสเปซ 1 ขององค์การนาซาได้รับภาพความละเอียดสูงแสดงรายละเอียดพื้นผิวของดาวหางโบร์เรลลี พวกเขาประกาศว่าดาวหางโบร์เรลลีมีแก๊สพวยพุ่งขึ้นเป็นจำนวนมาก ทั้งที่พื้นผิวนั้นทั้งร้อนและแห้ง ตรงข้ามกับสมมุติฐานว่ามีน้ำกับน้ำแข็งบนดาวหาง ดร.ลอเรนซ์ โซเดอร์บลอม แห่งสถาบันธรณีวิทยา สหรัฐอเมริกา กล่าวว่า “สเปกตรัมแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวดาวหางนั้นร้อนและแห้ง น่าแปลกมากที่เรามองไม่เห็นร่องรอยของน้ำแข็งเลย” อย่างไรก็ดี เขาเสนอแนวคิดว่าน้ำแข็งอาจจะซ่อนอยู่ข้างใต้ชั้นผิวด้านนอกก็ได้[41]
ข้อมูลจาก ยานดีปอิมแพกต์ แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบที่เป็นน้ำแข็งส่วนใหญ่ของดาวหางอยู่ข้างใต้พื้นผิว น้ำแข็งเหล่านี้เป็นที่มาของไอน้ำที่พวยพุ่งขึ้นและทำให้เกิดเป็นโคม่าของดาวหางเทมเพล 1[42]
อย่างไรก็ตาม ข้อมูลที่ใหม่กว่าจากโครงการ สตาร์ดัสต์ แสดงให้เห็นว่าสสารที่เก็บได้จากหางของดาวหางวิลด์ 2 เป็นผลึกบางชนิดที่ “เกิดขึ้นได้ในเปลวไฟเท่านั้น”[43][44] สสารเหล่านั้นยังบ่งชี้ว่า “ฝุ่นดาวหางประกอบด้วยสสารแบบเดียวกันกับดาวเคราะห์น้อย”[45][46][47] ผลการสำรวจล่าสุด ทำให้นักดาราศาสตร์ต้องหวนกลับมาคิดกันใหม่ถึงธรรมชาติที่แท้จริงของดาวหางและความแตกต่างกับดาวเคราะห์น้อย[48]
ข้อถกเถียงนี้คลี่คลายเมื่อดาวหางสว่างดวงหนึ่งถูกค้นพบโดย กอตฟรีด เคียช เมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน ค.ศ. 1680 นักดาราศาสตร์ทั่วทั้งยุโรปพากันติดตามเส้นการเดินทางของดาวหางดวงนี้เป็นเวลาหลายเดือน ปี ค.ศ. 1681 นักบวชชาวแซกซอนชื่อ จอร์จ ซามูเอล โดเฟล (Georg Samuel Doerfel) พิสูจน์ได้ว่าดาวหางเป็นวัตถุท้องฟ้าที่เคลื่อนที่บนเส้นทางพาราโบลา โดยมีดวงอาทิตย์เป็นจุดโฟกัส ต่อมาในปี 1687 ไอแซก นิวตัน ได้เขียนในหนังสือ Principia Mathematica พิสูจน์ว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ไปภายใต้กฎกำลังสองผกผัน (inverse square law) ของแรงโน้มถ่วงในเอกภพ จะต้องมีเส้นทางเป็นวงรีเหมือนภาคตัดของกรวย เขายังพิสูจน์ได้ด้วยว่าเส้นทางดาวหางบนท้องฟ้าเข้ากันพอดีกับเส้นโค้งแบบพาราโบลา โดยใช้ดาวหางปี 1680 เป็นตัวอย่างการคำนวณ[36]
ปี ค.ศ. 1705 เอ็ดมันด์ ฮัลเลย์ ได้นำวิธีคิดของนิวตันมาใช้ศึกษาวัตถุท้องฟ้าแปลกประหลาดที่มีลักษณะคล้ายดาวหาง ปรากฏบนฟ้าระหว่างปี ค.ศ. 1337 – 1698 เขาสังเกตพบว่าในจำนวนนี้มีดาวหางสามดวง คือในปี ค.ศ. 1531, 1607 และ 1682 มีลักษณะการเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้งที่ใกล้เคียงกันมาก เขาอธิบายว่าความแตกต่างของเส้นทางไปเล็กน้อยนั้นเกิดจากผลของแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ เมื่อเขาเชื่อมั่นว่าดาวหางทั้งสามนั้นเป็นดวงเดียวกัน จึงคำนวณและทำนายว่ามันจะต้องกลับมาปรากฏตัวอีกครั้งในราวปี ค.ศ. 1758-9[37] (ก่อนหน้านั้น โรเบิร์ต ฮุค เคยประกาศว่าดาวหางแห่งปี 1664 เป็นดวงเดียวกับปี 1618[38] และฌอง-โดมินิค กัสซีนี ก็คิดว่าดาวหางในปี 1557, 1665 และ 1680 เป็นดวงเดียวกัน[32] แต่ทั้งสองคนคาดการณ์ผิด) การคำนวณของฮัลเลย์ได้รับการทบทวนจากนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส 3 คน คือ อเล็กซิส ไคลโรต์ (Alexis Clairaut), โจเซฟ ลาลังเด (Joseph Lalande), และ นิโคล-รีน เลอโปต์ (Nicole-Reine Lepaute), ได้ผลว่าดาวหางจะปรากฏตัวในปี ค.ศ. 1759 โดยมีความคลาดเคลื่อนเพียง 1 เดือน[32] ครั้นเมื่อดาวหางกลับมาปรากฏตรงตามการคำนวณจริง ๆ ดาวหางดวงนั้นจึงได้ชื่อว่า ดาวหางฮัลเลย์ (ชื่อตามระบบการตั้งชื่ออย่างเป็นทางการคือ 1 พี/ฮัลเลย์) มันจะมาปรากฏตัวอีกครั้งในปี ค.ศ. 2061
ในบรรดาดาวหางคาบสั้นซึ่งมีการเฝ้าสังเกตการณ์หลายครั้งตามบันทึกประวัติศาสตร์ ดาวหางฮัลเลย์เป็นดาวหางที่โดดเด่นเป็นพิเศษ เพราะมันมีความสว่างมากจนสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เมื่อการพิสูจน์วงโคจรของดาวหางฮัลเลย์ทำได้สำเร็จ ก็มีการค้นพบดาวหางรายคาบเพิ่มขึ้นอีกมากมายด้วยกล้องโทรทรรศน์ ดาวหางดวงที่สองที่สามารถค้นพบคาบการโคจรคือดาวหางเองเคอ (ชื่อตามระบบอย่างเป็นทางการคือ 2P/Encke) ช่วงปี ค.ศ. 1819-1821 นายแพทย์และนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ โยฮัน ฟรานซ์ เองเคอ (Johann Franz Encke) ได้คำนวณวงโคจรของดาวหางที่ปรากฏตัวในปี 1786, 1795, 1805 และ 1818 และสรุปว่ามันเป็นดาวหางดวงเดียวกัน เขาสามารถทำนายการกลับมาปรากฏตัวอีกครั้งได้อย่างถูกต้องในปี ค.ศ. 1822[23] ครั้นถึง ค.ศ. 1900 มีดาวหาง 17 ดวงที่ถูกเฝ้าสังเกตการณ์และพบว่ามันผ่านเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดมากกว่าหนึ่งครั้ง จึงจัดหมวดให้เป็นดาวหางรายคาบ เดือนเมษายน พ.ศ. 2549 มีดาวหางรายคาบรวมแล้ว 175 ดวง แม้จะมีหลายดวงที่แตกสลายหรือสูญหายไปเสียแล้ว ในตารางประเภทวัตถุท้องฟ้า ดาวหางจะใช้สัญลักษณ์แทนที่ด้วย
