ลักษณะทางกายภาพของดาวหาง
ดาวหาง คือ วัตถุชนิดหนึ่งในระบบสุริยะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ มีส่วนที่ระเหิดเป็นแก๊สเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดชั้นฝุ่นและแก๊สที่ฝ้ามัวล้อมรอบ และทอดเหยียดออกไปภายนอกจนดูเหมือนหาง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์จากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ไปบนนิวเคลียสของดาวหาง นิวเคลียสหรือใจกลางดาวหางเป็น “ก้อนหิมะสกปรก” ประกอบด้วยน้ำแข็ง คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน แอมโมเนีย และมีฝุ่นกับหินแข็งปะปนอยู่ด้วยกัน มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ไม่กี่กิโลเมตรไปจนถึงหลายสิบกิโลเมตร
ลักษณะทางกายภาพของดาวหางสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ส่วน คือ ส่วนนิวเคลียส โคม่าและหาง
นิวเคลียสของดาวหางมีขนาดตั้งแต่ 0.5 กิโลเมตรไปจนถึง 50 กิโลเมตร ประกอบไปด้วยหินแข็ง ฝุ่น น้ำแข็ง และแก๊สแข็งเช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และแอมโมเนีย[11] องค์ประกอบนี้มักนิยมเรียกกันว่า “ก้อนหิมะสกปรก” แม้จากการสังเกตเมื่อไม่นานมานี้พบว่าพื้นผิวของดาวหางนั้นแห้งและเป็นพื้นหิน สันนิษฐานว่าก้อนน้ำแข็งซ่อนอยู่ใต้เปลือก ในดาวหางยังมีสารประกอบอินทรีย์ปรากฏอยู่ด้วย นอกเหนือจากแก๊สหลายชนิดดังกล่าวข้างต้นแล้ว ยังมีเมทานอล ไฮโดรเจนไซยาไนด์ ฟอร์มัลดีไฮด์ เอทานอล และอีเทน บางทีก็มีโมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่น สารประกอบไฮโดรคาร์บอนห่วงโซ่ยาว และกรดอะมิโน[12][13][14] นอกจากนี้ จากการศึกษาดาวหางในย่านความถี่อัลตราไวโอเลต พบว่ามีชั้นของไฮโดรเจนห่อหุ้มดาวหางอีกชั้นหนึ่ง ไฮโดรเจนเหล่านี้เกิดจากไอน้ำที่แตกตัวอันเนื่องมาจากรังสีจากดวงอาทิตย์ นิวเคลียสของดาวหางมีรูปร่างบิดเบี้ยวไม่เป็นทรง เพราะมันไม่มีมวล (ซึ่งแปรผันกับแรงโน้มถ่วง) มากพอที่จะกลายเป็นทรงกลมได้
ในระบบสุริยะรอบนอก ดาวหางจะคงสภาพแช่แข็งและไม่สามารถสังเกตได้จากโลกหรือสังเกตได้ยากมาก เนื่องจากมันมีขนาดเล็กมาก (แต่ก็มีนิวเคลียสดาวหางบางดวงในแถบไคเปอร์ที่สามารถมองเห็นได้[15]) เมื่อดาวหางเคลื่อนเข้ามาสู่ระบบสุริยะรอบใน ใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้น ความร้อนจากดวงอาทิตย์จะทำให้น้ำแข็งและแก๊สแข็งระเหิดเป็นไอ และปล่อยแก๊สออกมาเกาะกลุ่มกับฝุ่นผงในอวกาศกลายเป็นม่านทรงกลมขนาดมหึมาล้อมรอบนิวเคลียส เรียกว่า โคม่า ซึ่งโคม่าอาจมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางถึงหลายล้านกิโลเมตรก็ได้ แรงดันจากรังสีที่แผ่จากดวงอาทิตย์และลมสุริยะจะกระทำต่อโคม่านี้ ทำให้เกิดเป็นละอองขนาดใหญ่ลากยาวออกไปเป็นหาง ในทิศทางตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์
กระแสฝุ่นและแก๊สทำให้เกิด “หาง” ในรูปแบบที่แตกต่างกัน คือ หางแก๊ส หรือ หางพลาสมา หรือ หางไอออน ประกอบด้วยไอออน และโมเลกุลที่ส่องสว่างโดยการเรืองแสง ถูกผลักออกไปโดยสนามแม่เหล็กในลมสุริยะ ดังนั้นความผันแปรของลมสุริยะจึงมีผลต่อการเปลี่ยนรูปร่างของหางแก๊สด้วย หางแก๊สจะอยู่ในระนาบวงโคจรของดาวหาง และชี้ไปในทิศเกือบตรงข้ามดวงอาทิตย์พอดี หางอีกชนิดหนึ่งคือ หางฝุ่น ประกอบด้วยฝุ่นหรืออนุภาคอื่น ๆ ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ถูกผลักออกจากดาวหางด้วยแรงดันจากการแผ่รังสี กลายเป็นหางที่มีรูปทรงห่อโค้งไปด้านหลัง ในขณะที่ดาวหางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ หางของมันอาจยาวได้ถึงหลายร้อยล้านกิโลเมตร ความยาวของหางแก๊สเคยบันทึกได้สูงสุดมากกว่า 1 หน่วยดาราศาสตร์ (ประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร) [11]
ทั้งโคม่าและหางจะเรืองแสงได้จากดวงอาทิตย์ และสามารถมองเห็นได้จากโลกเมื่อดาวหางเคลื่อนเข้ามาสู่ระบบสุริยะชั้นใน ฝุ่นสะท้อนแสงอาทิตย์ได้โดยตรง ขณะที่กลุ่มแก๊สเรืองแสงได้ด้วยการแตกตัวเป็นไอออน ดาวหางส่วนใหญ่จะมีความสว่างเพียงจาง ๆ ซึ่งจะมองเห็นได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ แต่ก็มีดาวหางจำนวนหนึ่งที่มีความสว่างพอจะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ผ่านเข้ามาใกล้ทุก ๆ ทศวรรษ บางครั้งก็มีการระเบิดใหญ่ขึ้นแบบฉับพลันในกลุ่มแก๊สและฝุ่น ทำให้ขนาดของโคม่าขยายตัวขึ้นมากชั่วขณะหนึ่ง เหตุการณ์นี้เคยเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2550 กับดาวหางโฮมส์
ข้อมูลที่น่าพิศวงคือ นิวเคลียสของดาวหางนับเป็นวัตถุอวกาศที่มืดที่สุดพวกหนึ่งในบรรดาวัตถุในระบบสุริยะ ยานจอตโตพบว่านิวเคลียสของดาวหางฮัลเลย์มีความสามารถสะท้อนแสงเพียง 4% เท่านั้น ส่วนยานดีปสเปซ 1 พบว่าพื้นผิวของดาวหางโบร์เรลลีสามารถสะท้อนแสงได้ราว 2.4 ถึง 3% ขณะที่พื้นผิวยางมะตอยสามารถสะท้อนแสงได้ 7% คาดกันว่าสารประกอบอินทรีย์อันซับซ้อนของนิวเคลียสเหล่านั้นเป็นวัสดุที่มีพื้นผิวมืด ความร้อนจากแสงอาทิตย์ทำให้องค์ประกอบที่ระเหยง่ายกลายเป็นไอหายไป เหลือแต่สารประกอบอินทรีย์แบบห่วงโซ่ยาวซึ่งเป็นสสารมืดเหมือนอย่างน้ำมันดินหรือน้ำมันดิบ พื้นผิวที่มืดของดาวหางทำให้มันสามารถดูดซับความร้อนได้ดีและยิ่งระเหิดได้ง่ายขึ้น
ในปี พ.ศ. 2539 มีการค้นพบว่าดาวหางปลดปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาด้วย[16] ซึ่งทำให้เหล่านักวิจัยพากันประหลาดใจ เพราะไม่เคยคาดกันมาก่อนว่าจะมีการปล่อยรังสีเอกซ์จากดาวหาง เชื่อว่ารังสีเอกซ์เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างดาวหางกับลมสุริยะ ขณะที่ประจุไฟฟ้าศักย์สูงเคลื่อนผ่านบรรยากาศรอบดาวหางแล้วเกิดปะทะกับอะตอมและโมเลกุลของดาวหาง ในการปะทะนั้นไอออนได้จับกับอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่ง แล้วปล่อยรังสีเอกซ์รวมถึงโฟตอนที่ความถี่ระดับอัลตราไวโอเลตไกล[17]
ลักษณะของวงโคจร
วงโคจรของดาวหางโคฮูเทค (เส้นสีแดง) และวงโคจรของโลก (เส้นสีน้ำเงิน) แสดงให้เห็นถึงความรีของวงโคจร และการเคลื่อนที่ที่เร็วมากขึ้นเมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์
การโคจรของดาวหางส่วนใหญ่
ดาวหางส่วนใหญ่มีวงโคจรเป็นวงรีที่เรียวมาก ๆ โดยมีปลายข้างหนึ่งของวงรีเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ ส่วนปลายอีกข้างหนึ่งทอดไกลออกไปยังด้านนอกของระบบสุริยะ สามารถแบ่งประเภทของดาวหางได้เป็นกลุ่มตามคาบการโคจร ยิ่งดาวหางมีคาบการโคจรยาวเท่าใด รูปวงรีก็จะยิ่งเรียวมากขึ้น
ดาวหางคาบสั้น (อังกฤษ: Short-period comets) เป็นดาวหางที่มีคาบการโคจรรอบดวงอาทิตย์น้อยกว่า 200 ปี โดยทั่วไปมักมีระนาบวงโคจรใกล้เคียงกับระนาบสุริยวิถี และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับดาวเคราะห์ จุดปลายของวงรีอีกด้านที่ไกลจากดวงอาทิตย์ที่สุดมักอยู่ในแถบของดาวเคราะห์รอบนอกของระบบสุริยะ (ตั้งแต่ดาวพฤหัสบดีออกไป) ตัวอย่างเช่น ดาวหางฮัลเลย์มีจุดไกลที่สุดจากดวงอาทิตย์อยู่ในบริเวณวงโคจรของดาวเนปจูน ส่วนดาวหางที่มีคาบโคจรสั้นกว่านั้นเช่นดาวหางเองเคอ (อังกฤษ: Comet Encke) มีจุดไกลที่สุดเพียงไม่เกินวงโคจรของดาวพฤหัสบดี ดาวหางคาบสั้น สามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มคือ กลุ่มดาวพฤหัสบดี (คาบโคจรไม่เกิน 20 ปี) และกลุ่มดาวหางฮัลเลย์ (คาบโคจรระหว่าง 20 ถึง 200 ปี)
ดาวหางคาบยาว (อังกฤษ: Long-period comets) มีความรีของวงโคจรมากกว่า และมีคาบโคจรตั้งแต่ 200 ปีขึ้นไปจนถึงหลายพันหรือหลายล้านปี (ตามนิยามแล้ว ดาวหางเหล่านี้จะต้องยังคงอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ ดาวหางที่ถูกดีดออกจากระบบสุริยะหลังจากเคลื่อนผ่านดาวเคราะห์ขนาดใหญ่จะไม่นับว่าเป็นดาวหางที่มี “คาบโคจร” อีกต่อไป) จุดปลายของวงรีด้านที่ไกลจากดวงอาทิตย์จะอยู่นอกเขตแดนดาวเคราะห์รอบนอกออกไปอีก และระนาบโคจรของดาวหางกลุ่มนี้อาจไม่อยู่ในระนาบเดียวกับสุริยวิถีก็ได้
ดาวหางแบบปรากฏครั้งเดียว (อังกฤษ: Single-apparition comets) มีลักษณะคล้ายคลึงกับดาวหางคาบยาว แต่มักมีเส้นทางแบบพาราโบลาหรือไฮเพอร์โบลา ทำให้มันผ่านเข้ามาในระบบสุริยะเพียงครั้งเดียว
นักวิชาการบางคนใช้คำว่า “ดาวหางรายคาบ” (อังกฤษ: Periodic comet) สำหรับดาวหางใด ๆ ที่มีวงโคจรเป็นวงรี (ได้แก่ทั้งดาวหางคาบสั้นและดาวหางคาบยาว) [18] แต่บางคนก็นับแต่เพียงดาวหางคาบสั้นเท่านั้น[19] ในทำนองเดียวกัน แม้คำว่า “ดาวหางแบบไม่มีคาบ” (non-periodic comet) จะมีความหมายเดียวกับดาวหางแบบปรากฏครั้งเดียว แต่นักวิชาการบางคนก็ใช้ในความหมายรวมถึงดาวหางคาบยาว หรือคาบยาวนานกว่า 200 ปีด้วย ในระยะหลังมีการค้นพบแถบดาวหางหลัก (อังกฤษ: Main-belt comets) ซึ่งทำให้เกิดการแบ่งประเภทเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งชนิด ดาวหางในกลุ่มนี้มีวงโคจรค่อนข้างกลมมากกว่ากลุ่มอื่น ๆ ในระยะเดียวกันกับแถบดาวเคราะห์น้อย
