Chủ đề của trại thiên văn tháng 12 tới là “Mưa sao băng”, năm nay tâm điểm của trận mưa sao băng Geminids đáng chú ý nhất năm này khoảng 12-13/12 trùng thời điểm không trăng “ New Moon”, rất thuận lợi cho việc quan sát. Chúng ta hãy thảo luận vài câu chuyện lý thú về “mưa sao băng” sắp tới nhé:
1. Sao băng (meteor) là gì?
Thỉnh thoảng sẽ thấy đột nhiên xuất hiện một vệt sáng lướt qua rất nhanh trên bầu trời rồi biến mất. Đó chính là sao băng. Sao băng chính là các mảnh đá/bụi bên ngoài Trái Đất (meteoroid), đi vào bầu khí quyển của hành tinh chúng ta với tốc độ rất nhanh (vài chục km/s), cháy sáng tạo thành vệt, và đa phần cháy sáng hết trước đi chạm tới mặt đất.
Do vậy:
– Vào bất kỳ đêm đẹp trời nào, các bạn cũng có thể quan sát được sao băng, từ vài vệt tới vài chục vệt tùy điều kiện thời tiết, thời điểm quan sát và việc có quan sát chúng đúng cách không nữa. Do đó, quan sát sao băng cũng cần bạn phải có chút kỹ năng nữa nhé, HAAC luôn nhận được câu hỏi quen thuộc rằng “sao bạn bên cạnh cứ thấy hoài mà mình thì không kịp thấy vệt sao băng nào cả?”.
– Do đi vào bầu khí quyển của hành tinh chúng ta với vận tốc rất lớn, nên đa phần chúng ta chỉ quan sát các vệt sao băng trong thời gian vô cùng ngắn ngủi (vài giây đã là hiếm gặp, và đa phần nhỏ hơn 1 giây) mà thôi, nên không kịp cất lên bất kỳ lời ước nào như đồn đại đâu nhé.
– Kích thước các mảnh đá/bụi đi vào bầu khí quyển Trái Đất càng lớn, thì sao băng càng sáng [có vệt sao rất sáng gọi là fireball (quả cầu lửa) hay đặc biệt sáng/thậm chí còn phát nổ trong bầu khí quyển là bolide]; tạo thành vệt dài, và khi đủ lớn để không bị cháy hết trong bầu khí quyển, phần còn sót lại khi tới mặt đất chúng ta chính là “thiên thạch/meteorite”.
– “Kẻ thù” lớn nhất của việc quan sát sao băng: là thời tiết (trời mưa hay mây) và ô nhiễm sáng, và bạn có biết rằng nguồn “ô nhiễm sáng tự nhiên” từ ánh trăng chính là trở ngại cực kỳ lớn cho việc quan sát các vệt sao băng. Do đó, hãy tránh xa các thành phố lớn (ô nhiễm sáng/bụi), chọn các vị trí có bầu trời khá đêm tương đối trong và tránh chọn gần thời điểm trăng tròn để quan sát.
2. Mưa sao băng (meteor shower)?
Như đã đề cập ở trên, chúng ta có thể quan sát khá nhiều vệt sao băng tại bất kỳ đêm đẹp trời nào, nhưng vẫn hay đọc các thông tin rằng tại một thời điểm nhất định nào trong năm sẽ có một số trận “mưa sao băng” diễn ra.
Các trận mưa sao băng diễn ra tại thời điểm Trái Đất chúng ta đi ngang qua đám bụi và đá (mảnh vụn đá bụi thiên thạch) để lại bởi các sao chổi hay tiểu hành tinh trong quá khứ. Kết quả là, thay vì chỉ là một vài vệt sao băng, hay còn gọi là các “sao rơi-sao sa hay sao đổi ngôi/shooting star” mà chúng ta thấy vào mỗi đêm trời trong, chúng ta sẽ thấy một trận mưa sao băng: hàng chục hay thậm chí hàng trăm các vệt sao băng dường như xuất phát từ cùng một hướng trên bầu trời trong cả đêm.
Sao chổi (comet) là những thiên thể quay quanh Mặt Trời với quỹ đạo Hyperbol hoặc elip rất dẹt. Do được cấu tạo chủ yếu bởi băng, bụi và đá nên khi di chuyển tới gần Mặt Trời, dưới tác động của gió Mặt Trời, các vật chất tạo thành nên sao chổi này sẽ tan rã (comet breakup) và tạo thành những dải đá/bụi (meteoroid swarm) để lại trên quỹ đạo di chuyển của chính sao chổi đó trong không gian. Khi Trái Đất chúng ta trong quá trình chuyển động quanh Mặt Trời, đi qua các vùng không gian đó, thì số lương đá/bụi theo lực hấp dẫn di chuyển vào trong bầu khí quyển hành tinh chúng ta sẽ nhiều hơn thời điểm khác, làm xuất hiện rất nhiều vệt sao băng hơn và được gọi là “mưa sao băng”.
Vì quỹ đạo của Trái Đất và các sao chổi là xác định nên các giao điểm là xác định trên đường đi của Trái Đất. Trong hành trình chuyển động quanh Mặt trời hàng năm của mình Trái Đất sẽ đi qua những giao điểm đó tại thời điểm xác định, do đó các trận mưa sao băng là có chu kỳ, và chu kỳ của tất cả các trận mưa sao băng đều là 1 năm.
3. Tâm điểm (radiant) và cực điểm (peak) của mưa sao băng là gì?
Khi quan sát các trận mưa sao băng ta thường có cảm giác các vệt sao băng đều xuất phát hoặc hướng về một khu vực cụ thể trên bầu trời (xem ảnh), khu vực đó gọi là tâm điểm (radiant) của trận mưa sao băng. Trong các trận mưa sao băng, tâm điểm này nằm trong khu vực của chòm sao nào thì trận mưa sao băng sẽ được gọi theo tên chòm sao đó, ví dụ mưa sao băng Geminids – chòm sao Gemini (Song Sinh), mưa sao băng Leonids – chòm sao Leo (Sư Tử), mưa sao băng Perseids – chòm sao Perseus (Anh Tiên). Các trận mưa sao băng đều có tâm điểm xuất hiện nhưng không có nghĩa chỉ ở hướng của tâm điểm mới có, chỉ là quan sát hướng này sẽ dễ gặp sao băng hơn mà thôi.
Khi tâm điểm này càng cao khỏi chân trời bao nhiêu thì các vệt sao băng xuất hiện càng nhiều, thời điểm quan sát lý tưởng nhất là khi tâm điểm ở đỉnh đầu. Tuy nhiên cần lưu ý, quan sát sao băng không nên chỉ chú tâm vào tâm điểm mà phải đưa mắt bao quát cả vùng trời xung quanh nó.
Cực điểm (peak) là thời điểm mà Trái Đất đi vào vùng không gian có nhiều đá/bụi sao chổi nhất (meteoroid swarm) và thường kéo dài trong 1-2 tiếng. Nhưng thời điểm này không hẳn là thời điểm quan sát được nhiều sao băng nhất ở một địa phương. Có những lúc cực điểm của một trận mưa sao băng lại tương ứng vào ban ngày tại Việt Nam, do đó chúng ta không thể quan sát được các vệt sao băng vào lúc này.
Do vậy, ngoài thời gian cực điểm, các nhà thiên văn còn cho dự báo về thời gian lân cận cực điểm với các trận mưa sao băng lớn, đây là thời gian có mật độ sao băng theo lý thuyết rất cao, thời gian này thường kéo dài khoảng một vài ngày quanh cực điểm. Tại Việt Nam, có lúc cực điểm rơi vào giữa trưa, vào ban ngày thì là thời điểm “lơ lửng”
Vậy chọn thời điểm nào để quan sát. Tùy mỗi người ước lượng và cho đánh giá riêng của mình nhưng với trường hợp cực điểm “lơ lửng” như thế này theo HAAC thì ta nên quan sát cả hai đêm trước và sau cực điểm vì còn một yếu tố thời tiết là yếu tố mà không thể nào dự báo trước chính xác được.
Không ai có thể dự báo được số sao băng có thể quan sát được ở một địa phương vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong đó có những yếu tố không đoán trước được như mây, mưa bất chợt.
Ta bỏ qua mọi yếu tố thời tiết thì giả sử mật độ sao băng trong đám mây đá/bụi là đều nhau ở mọi vị trí thì:
– Sau nửa đêm sẽ quan sát được nhiều sao băng hơn trước đó. Càng về sáng thì mật độ sao băng quan sát được càng nhiều.
– Khi tâm điểm của mưa sao băng càng lên cao thì số sao băng quan sát được càng nhiều, lý tưởng nhất là tâm điểm lên đến điểm cao nhất trên bầu trời.
– Ánh trăng càng sáng thì số sao băng thấy được càng giảm, vì ánh trăng quá sáng lấn át luôn các vệt sao băng.
Do vậy
, điều kiện lý tưởng có mật độ sao băng quan sát được lớn nhất ở một địa phương là:
– Không trăng (New Moon);
– Cực điểm diễn ra khi tâm điểm lên đỉnh đầu và diễn ra vào sau nửa đêm (đặc biệt là sau 2h sáng);
Cực điểm theo dự báo chỉ là thông tin tham khảo quan trọng bên cạnh các yếu tố khác như ở trên quyết định đến số sao băng mà ta có thể quan sát được. Cực điểm không phải là thời điểm mà ở một địa phương có thể quan sát được nhiều sao băng nhất.
Chúng ta nên hiểu: Cực điểm là thời gian Trái Đất đi vào vùng có nhiều bụi sao chổi nhất, còn có quan sát được nhiều hay ít sao băng thì còn tùy vào vị trí địa lý để biết lúc đó tâm điểm mọc khi nào và các yếu tố khác như thời tiết, ánh trăng.
4. Vì sao lại quan sát nhiều sao băng hơn vào sau nửa đêm?
Theo hình minh họa, sau thời điểm nửa đêm (midnight), nửa bên trái Trái Đất ở ban đêm (quan sát được vệt sao băng) sẽ ở vị trí hướng trực tiếp về phía dải đá/bụi trong không gian theo hướng di chuyển của hành tinh chúng ta trên quỹ đạo, do đó sau nửa đêm là thời điểm chúng ta có thể quan sát được nhiều vệt sao băng hơn trước đó.
5. Các nhà thiên văn dự báo cực điểm mưa sao băng như thế nào?
Không thể nào mà dự báo chính xác được số lượng đá/bụi do các sao chổi/tiểu hành để lại cả. Việc tính toán có lẽ rất phức tạp phải dựa trên các mô hình máy tính. Dải đá/bụi cũng chuyển động xung quanh Mặt Trời theo một quĩ đạo nhất định. Trong các dải (đám) đá/bụi này thì lại có từng “cụm” đá/bụi chứ không phải là mật độ phân bố luôn đều nhau.
Có lẽ các nhà thiên văn chỉ có thể tính toán được là thời gian quĩ đạo Trái Đất cắt qua quĩ đạo dải đá/bụi vào thời điểm nào, và thời gian gặp “cụm” bụi có mật độ cao nhất trong năm là thời gian diễn ra cực điểm có thể quan sát được nhiều sao băng nhất. Số ngày mà ta có thể quan sát được của một đợt sao băng là phụ thuộc vào độ rộng của dải đá/bụi trên quĩ đạo của nó mà Trái Đất cắt qua.
Việc đánh giá dự báo số vệt sao băng cực đại/h có lẽ là qua thống kê của từng năm. Ví dụ nếu gặp được cụm đá/bụi A thì thông thường thấy được bao nhiêu vệt sao băng, gặp cụm đá/bụi B thì bao nhiêu vệt sao băng…, và từ đó các nhà khoa học cho ra con số dự báo có thể thấy được.
Ví dụ như quĩ đạo Trái Đất cắt quĩ đạo đám mây bụi của mưa sao băng Leonids vào năm 2000:
Ảnh của NASA cho Leonids năm 2007
Ta có thể thấy vị trí cắt của quĩ đạo Trái Đất với quĩ đạo dải đá/bụi là không cố định theo từng năm. Việc dự báo số lượng vệt sao băng có thể thấy được chỉ là tương đối. Đối với trận mưa sao băng Geminids hiện nay mật độ bụi phân bố khá đồng đều nên số lượng dự báo tương đối chính xác. Còn với Leonids thì các năm gần đây khi Leonids đã suy yếu thì dự báo khá khó khăn trên IMO cho dự báo thường là từ khoảng 20 vệt đến “bão” sao băng/h;
6. Thống kê số vệt sao băng/h ở các trang như IMO được tính toán như thế nào? Đó có phải là con số mà thực tế chúng ta xem được?
Trước mỗi trận mưa sao băng thường có các dự báo số vệt sao băng có thể quan sát được theo giờ tại thời điểm cực điểm. Số vệt sao băng này thường được dự báo theo con số thống kê các năm trước từ các báo cáo của các nơi quan sát khác nhau.
Hiện nay, International Meteor Organization (IMO) – Hiệp Hội Mưa Sao Băng Quốc Tế, tuy là một tổ chức nghiệp dư nhưng có thể xem như là tổ chức uy tín nhất trên thế giới về các dự báo và thống kê mật độ sao băng hàng năm. Trong mỗi đợt mưa sao băng IMO kêu gọi người quan sát ở khắp các nơi trên thế giới gửi báo cáo về số sao băng mà họ quan sát được để IMO tổng hợp, và đây cũng là số liệu giúp cho các nhà thiên văn học cộng tác với IMO cho dự báo về mật độ sao băng ở các năm sau.
7. Chúng ta hay nghe thuật ngữ tần suất ZHR vệt sao băng/giờ của mỗi trận mưa sao băng, nó là gì?
ZHR (Zenithal Hourly Rate)
Các thống kê về mật độ và dự báo của IMO đều quy về dạng ZHR (Zenithal Hourly Rate) – tần suất vệt sao băng/h khi tâm điểm sao băng ở thiên đỉnh trong điều kiện quan sát tối ưu (với bầu trời thật tối và trong/giới hạn cấp sao có thể nhìn thấy được là +6.5).
Tần suất sao băng này là con số lý tưởng nhất có thể quan sát được. Thực tế không thể dự báo chính xác cho từng vùng vì điều kiện thời tiết cũng như vị trí tâm điểm của sao băng khi diễn ra cực điểm là khác nhau cho mỗi nơi.
ZHR được tính toán theo công thức sau:
ZHR = (HR*F* r^(6.5-lm))/sin(hR)
Với:
HR: Là tần suất vệt sao băng/h quan sát được thật sự của các báo cáo viên. HR= N/Tef, trong đó N là số lượng sao băng quan sát được, Teff là thời gian quan sát hiệu quả của báo cáo viên.
Ví dụ: một người quan sát đếm được 12 sao băng trong 15 phút, thì tần suất sao băng/h là 48 (12 chia cho 0.25 giờ)
F hệ số hiệu chỉnh vùng quan sát được, k là % vùng nhìn của người quan sát bị che khuất (ví dụ bởi mây), và F = 1/(1-k)
Ví dụ: nếu 20% vùng nhìn của người quan sát bị mây che, hệ số k là 0.2 và F sẽ là 1.25. Nếu không bị che chắn có thể người quan sát sẽ thấy nhiều hơn số sao băng mà họ đếm được là 25% nữa. Vì thế chúng ta sẽ nhân cho tỉ lệ F=1.25
– r^(6.5 – lm)
Đây là hệ số hiệu chỉnh độ sáng của sao băng có thể quan sát được. Ở 2 nơi khác nhau: nếu bầu trời ở địa phương A trong hơn có thể quan sát được các sao băng có cấp sao mờ hơn ở địa phương B là +1 thì số vệt sao băng đáng lẽ có thể quan sát được ở B nếu trời cũng trong như A = số sao băng đếm được ở B nhân thêm cho tỉ lệ r^1 nữa. Ở đây ta giả sử điều kiện lý tưởng là nơi quan sát có thể thấy sao có độ sáng +6,5; nên từ các số sao băng thật sự chúng ta quan sát được, ta sẽ hiệu chỉnh lại độ trong của bầu trời để tính ra các sao băng mà đáng ra có thể thấy được nếu trời thật trong.
– r: cho bởi thống kê độ sáng của từng sao băng mà ta quan sát được, IMO thường cho sẵn hệ số r đối với mỗi trận mưa sao băng dựa trên các báo cáo hằng năm. Geminids có r là = 2.6
Nếu ở vùng ven thành phố Hồ Chí Minh như Thủ Đức, chúng ta chỉ quan sát được các vệt sao băng mờ nhất có độ sáng là +5.5, nhưng ở Bảo Lộc trời trong hơn nên có thể thấy các vệt sao băng mờ có độ sáng đến cấp +6.5. Người quan sát ở Thủ Đức nếu đếm được 50 vệt sao băng, có thể người ở Bảo Lộc thấy được gấp đôi là 130 vệt sao băng = 50 x r ^(6.5-5.5) với r =2.6.
Ước lượng giới hạn độ sáng của vệt sao băng mà bầu trời mà mình quan sát được như thế nào? Ta có thể căn cứ vào độ sáng của các sao trên bầu trời, nếu chỉ thấy được các sao tầm +2 như ở trung tâm thành phố thì đừng kỳ vọng về một đêm quan sát mưa sao băng hoành tráng như ở Bảo Lộc.
Ta cũng thấy được sử ảnh hưởng của ánh trăng, ánh đèn với quan sát sao băng như thế nào.
– Sin(hR) : Hệ số hiệu chỉnh độ cao của tâm điểm sao băng (radiant). hR là độ cao của tâm điểm cách chân trời.
Số vệt sao băng quan sát được sẽ có tỉ lệ thuận với độ cao của tâm điểm.
Ví dụ: nếu tâm điểm cao trung bình khoảng 30 độ trong thời điểm quan sát sao băng (trận Geminds là tầm 9-10h tối), ta có thể chia tần suất sao băng thấy được cho 0.5 (sin 30độ) để ước lượng số sao băng mà bạn nước ngoài ở nơi mà chòm Geminids đã lên cao đến thiên đỉnh có thể thấy được cùng lúc đó với ta.
Ngược lại ví dụ trên IMO cho thời gian cực điểm của mưa sao băng Geminids là khoảng 10:00PM ở Việt Nam với ZHR là 120 vệt sao băng/h khi cực điểm. Nhưng rủi thay lúc đó tâm điểm sao băng ở nước ta chỉ cao khoảng 30 độ thì số vệt sao băng dự báo quan sát được ở nước ta với điều kiện thời tiết thật lý tưởng ngay lúc cực điểm 10:00PM tối chỉ còn là 120×0.5 = 60 vệt sao băng/h.
