Thuở sơ khai

Theo các thẻ khắc trên xương của người Trung Hoa cổ đại, sự hiện diện của sao chổi đã được con người biết đến từ hàng nghìn năm trước. Người Trung Quốc cổ xưa cho rằng sao chổi mang đến điềm xấu, báo trước sự nguy hiểm tính mạng cho vua chúa hay quan lại. Tuy nhiên trong sách Thiên luận, Tuân Tử (313-230 TCN) đã bác bỏ điều mê tín này. Trong lịch sử văn minh Hy Lạp và Ả Rập, sao chổi từng được coi là sự tấn công của thiên đàng xuống trần gian. Các ghi chép về "sao rơi" trong các sách Gilgamesh, Sách Khải Huyền và sách Enoch có thể đã nói đến sao chổi hay sao băng.

Trong quyển sách đầu tay Khí tượng học, Aristotle nhận xét về các sao chổi bay qua bay lại trên bầu trời phương Tây suốt hai nghìn năm. Ông đã lật lại quan niệm của một số nhà triết học đi trước miêu tả các sao chổi là các hành tinh, hay các hiện tượng liên quan đến các hành tinh. Ông dựa trên quan sát về chuyển động của các hành tinh nằm gần mặt phẳng hoàng đạo, trong khi các sao chổi có thể xuất hiện từ bất cứ nơi nào, để đi đến kết luận rằng sao chổi là các hiện tượng xảy ra trên tầng cao khí quyển Trái Đất, nơi mà các luồng khí nóng và khô tập trung và thỉnh thoảng bùng cháy. Ông mở rộng cơ chế này để giải thích cho cả sao băng, cực quang và, thậm chí, cả Ngân Hà.

Các nhà hiền triết sau này đã tranh luận về quan điểm về sao chổi trên. Seneca Trẻ, trong sách Các Câu hỏi về Tự nhiên, đã quan sát thấy các sao chổi bay qua lại theo quỹ đạo đều đặn, không bị ảnh hưởng bởi gió, một đặc tính của hiện tượng vũ trụ hơn là hiện tượng khí quyển. Mặc dù ông cũng đồng ý rằng các hành tinh đều di chuyển gần mặt phẳng hoàng đạo, ông thấy không có lý do nào ngăn cản các vật thể giống hành tinh có thể di chuyển ở các vùng trời khác, và rằng kiến thức của con người về vũ trụ còn hạn hẹp. Tuy nhiên, cách nhìn của Aristotle đã vẫn có ảnh hưởng sâu; cho đến tận thế kỷ 16 người ta mới chứng minh được rằng sao chổi là hiện tượng nằm ngoài khí quyển.

Năm 1577, một sao chổi sáng đã được quan sát trong suốt vài tháng. Nhà thiên văn học Đan Mạch Tycho Brahe đã sử dụng các đo đạc về vị trí sao chổi này của ông và của những người quan sát ở các nơi cách xa, để thu được kết quả là sao chổi có thị sai rất nhỏ, đến mức không đo được. Với độ chính xác của các phép đo đạc lúc đó, đây là bằng chứng cho thấy sao chổi này phải cách Trái Đất ít nhất hơn 4 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng.

Tính toán quỹ đạo

Từ sau thế kỷ 16, mặc dù sao chổi đã được chứng tỏ là các hiện tượng trong vũ trụ, câu hỏi về việc chúng di chuyển như nào vẫn là chủ đề gây tranh cãi trong suốt một thế kỷ sau đó. Ngay cả sau khi Johannes Kepler đã xác định vào năm 1609 rằng các hành tinh di chuyển quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elíp, ông cũng đã lưỡng lự khi áp dụng các định luật của chuyển động hành tinh cho các vật thể khác; ông đã tin rằng sao chổi di chuyển giữa các hành tinh theo đường thẳng. Galileo Galilei, mặc dù là một người theo chủ nghĩa của Nicolaus Copernicus, đã bác bỏ đo đạc về thị sai của Tycho và tin vào cách giải thích của Aristotle về các sao chổi bay theo đường thẳng trong khí quyển.

Người đầu tiên gợi ý áp dụng các định luật Kepler cho các sao chổi là William Lower vào năm 1610. Trong các thập kỷ tiếp theo, các nhà thiên văn như Pierre Petit, Giovanni Borelli, Adrien Auzout, Robert Hooke và Jean-Dominique Cassini đều khẳng định sao chổi bay vòng qua Mặt Trời theo quỹ đạo elíp hay parabol. Trong khi một số khác, như Christian Huygens và Johannes Hevelius, ủng hộ chuyển động thẳng của sao chổi.

Vấn đề được giải quyết bởi khám phá của Gottfried Kirch về một sao chổi sáng vào ngày 14 tháng 11 năm 1680. Các nhà thiên văn khắp Châu Âu đã theo dõi và đo đạc đường đi của sao chổi này suốt nhiều tháng. Trong quyển Principia Mathematica, viết năm 1687, Isaac Newton đã chứng minh rằng một vật thể chuyển động dưới tác động theo hàm nghịch đảo bình phương của lực vạn vật hấp dẫn phải đi theo quỹ đạo giống như một đường cắt hình nón, và ông đã cho thấy cách khớp đo đạc quỹ đạo của sao chổi vào một hình parabol, sử dụng sao chổi năm 1680 như một ví dụ.

Năm 1705, Edmond Halley sử dụng phương pháp của Newton cho 24 hiện tượng sao chổi đã xảy ra từ năm 1337 đến năm 1698. Ông nhận thấy 3 trong số đó, sao chổi của các năm 1531, 1607 và 1682, có các tham số quỹ đạo rất giống nhau, và ông còn phát hiện ra sự sai khác chút xíu giữa các quỹ đạo là do ảnh hưởng của lực hấp dẫn từ Sao Mộc và Sao Thổ. Tin tưởng rằng 3 hiện tượng trên đều thuộc về một sao chổi, ông tiên đoán nó sẽ quay trở lại khoảng năm 1758 đến 1759. (Trước đó, Robert Hooke đã xác định hiện tượng năm 1664 và năm 1618 thuộc về một sao chổi, còn Jean-Dominique Cassini đã nghi ngờ sự giống nhau của 3 hiện tượng năm 1577, 1665 và 1680; nhưng cả hai đều sai.) Tiên đoán về ngày quay lại của sao chổi của Halley sau đó đã được tính chính xác lại bởi một nhóm các nhà toán học Pháp: Alexis Clairaut, Joseph Lalande và Nicole-Reine Lepaute. Họ đã tiên đoán ngày mà sao chổi này ở cận điểm quỹ đạo vào năm 1759, với sai số khoảng một tháng. Khi sao chổi quay lại như đã đoán trước, nó được đặt tên sao chổi Halley (tên chính thức của nó là 1P/Halley). Ngày quay lại trong thế kỷ 21 của nó là năm 2061.

Trong số các sao chổi có chu kỳ đủ ngắn để có thể được ghi chép nhiều lần trong lịch sử, sao chổi Halley còn đặc biệt ở chỗ nó luôn giữ độ sáng cao đủ để quan sát được bằng mắt thường. Từ khi tiên đoán về quỹ đạo tuần hoàn của sao chổi Halley được công nhận, nhiều sao chổi có chu kỳ lặp lại đã được quan sát bằng kính viễn vọng. Sao chổi thứ hai được phát hiện có quay trở lại là sao chổi Encke (tên chính thức 2P/Encke). Trong khoảng những năm 1819 đến 1821, nhà toán học và vật lý học Đức Johann Franz Encke đã tính toán quỹ đạo cho một loạt các hiện tượng sao chổi những năm 1786, 1795, 1805 và 1818, rồi đi đến kết luận rằng chúng đều thuộc về một sao chổi; ông đã tiên đoán chính xác ngày quay lại của nó vào năm 1822. Đến những năm 1900, 17 sao chổi đã được quan sát là đã đi qua cận điểm ít nhất hai lần, và do đó được xếp loại sao chổi tuần hoàn. Đến tháng 1 năm 2005, con số này là 164, mặc dù một vài trong số đó đã mất tích hoặc bị phá hủy trong các va chạm với các thiên thể khác.

Nghiên cứu cấu trúc

Isaac Newton đã miêu tả sao chổi như một vật thể rắn chắc nén đặc. Nói một cách khác, nó là một dạng hành tinh chuyển động theo quỹ đạo rất méo, đến từ mọi phương với một mức độ tự do cao, giữ nguyên chuyển động ngay cả khi đi qua giữa các hành tinh; các đuôi của chúng là các luồng hơi mỏng phát ra từ phần đầu, tức hạt nhân của sao chổi, bùng cháy hay bị đun nóng bởi năng lượng từ Mặt Trời. Sao chổi cũng gợi ý cho Newton một kết luận dường như là tất yếu sự về sự bảo toàn của nước và hơi ẩm trên hành tinh: từ những hạt nước và hơi ẩm, sinh ra các cây cỏ, chúng tăng trưởng khi hút nước, đến lúc chết và thối rữa, chúng trở thành đất khô. Như vậy đất khô sẽ ngày càng nhiều lên, còn độ ẩm luôn giảm đi, đến một lúc sẽ bay hơi hết, nếu không có nguồn nào cung cấp. Newton cho rằng nguồn cung cấp này đến từ sao chổi, làm nên nguồn sống tinh tế nhất cho không khí, cần thiết cho sự sống và sự tồn tại của mọi loài.

Một nhiệm vụ khác của sao chổi mà Newton phỏng đoán là chúng mang đến nhiên liệu cho Mặt Trời, bù đắp sự tiêu thụ năng lượng của Mặt Trời bằng dòng sao chổi cháy sáng đến từ mọi phương.

Từ thế kỷ 18, nhiều nhà khoa học đã có những giả thuyết khá chính xác về thành phần cấu tạo của sao chổi. Năm 1755, Immanuel Kant giả định rằng sao chổi cấu tạo từ những vật chất rất dễ thăng hoa, các hơi bay ra tạo nên đuôi sáng rực rỡ khi đến gần cận điểm. Năm 1836, nhà toán học Đức Friedrich Wilhelm Bessel, sau khi quan sát luồng hơi thoát ra từ sao chổi Halley năm 1835, giả định rằng phản lực của vật liệu bốc hơi ra có thể đủ mạnh để thay đổi quỹ đạo của sao chổi và cho rằng chuyển động không tuân thủ luật lệ trong trọng trường của sao chổi Encke có gốc rễ từ cơ chế này.

Tuy nhiên, một khám phá liên quan đến sao chổi sau đó đã che phủ các ý tưởng này trong suốt một thế kỷ. Từ khoảng những năm 1864 đến 1866 nhà thiên văn Ý Giovanni Schiaparelli đã tính toán quỹ đạo của các sao băng Perseid, rồi dựa vào các sự tương đồng về quỹ đạo, đã giả định chính xác rằng các sao băng Perseid là các mảnh vỡ của sao chổi Swift-Tuttle. Mối liên hệ giữa sao chổi và sao băng đã tiếp tục trở nên nóng hổi vào năm 1872 khi một luồng sao băng lớn xuất hiện tại quỹ đạo của sao chổi Biela, một sao chổi đã được quan sát bị phân thành hai mảnh khi xuất hiện năm 1846 và đã biến mất từ năm 1852. Một mô hình mang tên "rãnh sỏi" về cấu trúc sao chổi đã hình thành, miêu tả sao chổi như một đống sỏi đá, gắn kết lỏng lẻo trong vỏ băng tuyết.

Đến giữa thế kỷ 20, mô hình này bắt đầu thể hiện nhiều điểm yếu: ví dụ, nó không giải thích được tại sao một vật thể chứa lớp vỏ băng mỏng có thể sản sinh đủ hơi nước bốc ra thành đuôi rực rỡ trong nhiều vòng bay qua Mặt Trời như vậy. Năm 1950, Fred Lawrence Whipple đề nghị thay mô hình các hòn sỏi nằm trong vỏ băng bằng một tảng băng lớn có lẫn bụi và sỏi đá. Mô hình "quả bóng tuyết bẩn" này sau đó nhanh chóng nhận được sự chấp thuận rộng rãi. Nó được xác nhận sau một loạt chuyến thám hiểm bằng tàu vũ trụ (bao gồm tàu Giotto của Cơ quan Vũ trụ châu Âu và tàu Vega 1 và Vega 2 của Liên Xô) bay qua đầu của sao chổi Halley năm 1986 để chụp ảnh hạt nhân và quan sát luồng hơi phụt ra sau đuôi. Tàu Deep Space 1 của Mỹ đã bay qua hạt nhân của sao chổi Borrelly ngày 21 tháng 9 năm 2001 và xác minh rằng các đặc điểm của sao chổi Halley cũng có thể tìm thấy ở các sao chổi khác.

Các chuyến du hành đang và sẽ xảy ra tiếp tục mang đến nhiều thông tin về cấu tạo sao chổi. Tàu Stardust, phóng vào tháng 2 năm 1999, đã thu thập các hạt bụi của phần đầu sao chổi Wild 2 vào tháng 1 năm 2004, và sẽ đưa mẫu vật về Trái Đất năm 2006. Tháng 7 năm 2005, tàu Deep Impact bắn phá một hố trên sao chổi Tempel 1 để nghiên cứu cấu trúc bên trong của nó. Năm 2014, tàu Rosetta sẽ bay vòng quanh sao chổi Churyumov-Gerasimenko và đặt lên bề mặt nó một trạm nghiên cứu.