วงโคจรและต้นกำเนิดของดาวหาง
ดาวหางมีคาบการโคจรที่แตกต่างกันหลายแบบ นับตั้งแต่คาบโคจรเพียงไม่กี่ปี ไปจนถึงหลายร้อยหรือหลายพันปี ขณะที่ดาวหางบางดวงเชื่อว่าผ่านเข้ามาถึงระบบสุริยะชั้นในเพียงครั้งเดียวเท่านั้น ก่อนจะเหวี่ยงตัวเองออกไปสู่ห้วงอวกาศระหว่างดาว เชื่อกันว่า ดาวหางคาบสั้นมีต้นกำเนิดมาจากแถบไคเปอร์หรือแถบหินกระจาย[4]
ซึ่งอยู่ไกลออกไปจากวงโคจรของดาวเนปจูน ดาวหางคาบยาวมาจากห้วงอวกาศที่ไกลกว่านั้น เช่นจากกลุ่มเมฆน้ำแข็งซึ่งประกอบด้วยชิ้นส่วนเศษซากที่หลงเหลืออยู่หลังจากการรวมตัวกันของเนบิวลาสุริยะ เมฆเหล่านี้เรียกว่า เมฆออร์ต ซึ่งตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์ แจน ออร์ต เมฆออร์ตอยู่ในระยะที่ไกลออกไปจากแถบไคเปอร์ ดาวหางเหวี่ยงตัวเองจากขอบนอกของระบบสุริยะเข้ามาหาดวงอาทิตย์ได้เนื่องจากผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงอันยุ่งเหยิงของบรรดาดาวเคราะห์รอบนอก (ในกรณีของวัตถุจากแถบไคเปอร์) หรือจากดาวฤกษ์อื่นใกล้เคียง (ในกรณีของวัตถุจากเมฆออร์ต) หรือเป็นผลจากการกระทบกันเองระหว่างวัตถุในย่านเหล่านี้
ดาวหางแตกต่างจากดาวเคราะห์น้อย โดยสามารถสังเกตได้จากโคมา และหาง แม้ว่าดาวหางที่เก่าแก่มาก ๆ จะสูญเสียความสามารถในการระเหยของธาตุในตัวไปจนหมด ทำให้มีลักษณะคล้ายคลึงกับดาวเคราะห์น้อย[5] ทั้งนี้ เชื่อกันว่าดาวเคราะห์น้อยมีกำเนิดที่แตกต่างไปจากกำเนิดของดาวหาง เพราะดาวเคราะห์น้อยน่าจะก่อตัวอยู่ในบริเวณระบบสุริยะชั้นใน มิได้มาจากส่วนนอกของระบบสุริยะ[6] แต่จากการค้นพบไม่นานมานี้[7] ทำให้การแยกแยะระหว่างดาวเคราะห์น้อยกับดาวหางไม่ชัดเจนนัก (ดูเพิ่มที่ เซนทอร์ และ คำจำกัดความของดาวเคราะห์น้อย)
นับถึงเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 2005 มีรายงานการค้นพบดาวหางแล้วจำนวน 3,648 ดวง[1] ในจำนวนนี้ 1,500 ดวงเป็นดาวหางเฉียดดวงอาทิตย์ตระกูลครอทซ์ และประมาณ 400 ดวงเป็นดาวหางคาบสั้น[8] ตัวเลขนี้ยังคงเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อย่างไรก็ดี นี่แสดงให้เห็นถึงจำนวนประชากรเพียงส่วนเล็กน้อยของจำนวนดาวหางทั้งหมดเท่านั้น วัตถุคล้ายดาวหางทั้งหมดที่มีในระบบสุริยะชั้นนอกน่าจะมีอยู่เป็นจำนวนล้านล้านดวง[9] จำนวนดาวหางที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเฉลี่ยแล้วมีประมาณปีละ 1 ดวง แม้ว่าส่วนมากจะค่อนข้างจางแสงมากและไม่สวยงามน่าชม[10] เมื่อมีการพบดาวหางสว่างมากหรือสวยงามโดดเด่นในประวัติศาสตร์ ซึ่งมีผู้มองเห็นเป็นจำนวนมาก ๆ มักจะเรียกดาวหางเหล่านั้นว่า ดาวหางใหญ่
ลักษณะทางกายภาพ
นิวเคลียสของดาวหางเทมเพล 1 ถ่ายจากยานลูกของยานดีปอิมแพกต์ นิวเคลียสมีขนาดประมาณ 6 กิโลเมตร
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]
