Trời đêm không bao giờ đen tuyệt đối, kể cả ở nơi không có một ngọn đèn nào. Bản thân bầu trời tự phát ra một lớp ánh sáng rất mờ: khí quyển trên cao phát sáng nhẹ (gọi là quang khí, airglow), bụi trong Hệ Mặt Trời hắt lại ánh nắng thành ánh sáng hoàng đạo, cộng thêm ánh sáng của hàng tỉ ngôi sao quá mờ để thấy riêng từng ngôi. Ánh sáng hoàng đạo là một hình nón mờ dựng nghiêng từ chân trời, chỉ thấy được ở nơi thật tối sau hoàng hôn hoặc trước bình minh.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Bạn cần ba thứ: một nơi xa đèn thành phố, một đêm không trăng, và đúng giờ. Khoảng 70–90 phút sau khi Mặt Trời lặn, khi vệt hoàng hôn cuối cùng đã tắt, nhìn về phía tây. Nếu may, bạn sẽ thấy một vùng sáng hình nón hoặc hình lưỡi mác, chân rộng ở chỗ Mặt Trời vừa lặn, đỉnh thon nhọn chỉ chéo lên trời. Độ sáng của nó có thể ngang dải Ngân Hà, đủ để người mới tưởng nhầm là ánh đèn của một thành phố xa hoặc vệt hoàng hôn kéo dài. Ở một số nước Trung Đông, người xưa gọi nó là "bình minh giả" vì nó xuất hiện ở phía đông một lúc trước khi rạng sáng thật.
Việt Nam có lợi thế lớn: ở vĩ độ thấp, đường hoàng đạo – con đường Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh đi trên trời – cắt chân trời theo góc dốc gần như quanh năm, nên hình nón dựng đứng hơn và dễ tách khỏi lớp khí mù sát đất. Ở châu Âu, người ta phải chờ những tối mùa xuân hoặc những sáng mùa thu. Những nơi có trời khô và tối ở ta như vùng cao Tây Bắc vào mùa khô, cao nguyên Lâm Đồng, hay vùng ven biển khô hạn của Khánh Hoà là chỗ đáng thử.
Lớp quang khí khó thấy hơn bằng mắt thường, nhưng ảnh chụp phơi sáng lâu ở nơi tối thường hiện những dải gợn màu xanh lục hoặc đỏ nhạt trên nền trời, nhất là gần chân trời. Nhiều người lần đầu chụp ảnh sao ở vùng núi ngạc nhiên vì "trời có màu xanh lá" mà mắt không thấy.
Cơ chế: ba nguồn sáng tự nhiên của đêm
1. Ánh sáng hoàng đạo: bụi Hệ Mặt Trời phản chiếu nắng
Khoảng không giữa các hành tinh không trống rỗng. Nó chứa vô số hạt bụi nhỏ cỡ micromet đến dưới milimet, phần lớn được cho là sinh ra từ sao chổi tan rã và từ va chạm giữa các tiểu hành tinh. Đám bụi này dàn mỏng thành một chiếc đĩa dẹt nằm gần mặt phẳng quỹ đạo các hành tinh, dày nhất ở gần Mặt Trời. Mỗi hạt hắt lại một chút ánh nắng, chủ yếu về phía trước theo hướng ánh sáng đang đi. Nhìn từ Trái Đất lúc chạng vạng, ta đang nhìn xuyên vào phần đĩa bụi gần Mặt Trời nhất, dày nhất, được chiếu sáng nhất – đó là gốc rộng của hình nón. Càng lên cao xa Mặt Trời, đĩa mỏng và tối dần – đó là đỉnh nhọn.
2. Đối nhật quang: vệt sáng đối diện Mặt Trời
Ở đúng điểm đối diện Mặt Trời trên bầu trời, vào khoảng nửa đêm, có một đốm sáng mờ hơn nữa, rộng chừng mười độ, gọi là đối nhật quang (gegenschein). Đó cũng là bụi hành tinh, nhưng lần này ta nhìn thấy các hạt bụi "tròn đầy" như trăng rằm, nên chúng dội ánh sáng ngược về phía ta mạnh hơn một chút. Đây là một trong những thứ khó thấy nhất bằng mắt thường, cần bầu trời gần như hoàn hảo.
3. Quang khí: khí quyển tự phát sáng
Ban ngày, tia tử ngoại của Mặt Trời bẻ gãy các phân tử oxy ở tầng khí quyển cao. Ban đêm, các nguyên tử oxy, natri và nhóm hydroxyl (OH) dần kết hợp lại, mỗi lần kết hợp thả ra một chút năng lượng dưới dạng ánh sáng. Đó là phát sáng do phản ứng hoá học, giống nguyên lý que phát sáng, nhưng diễn ra trên toàn bộ bầu trời.
- Màu xanh lục của nguyên tử oxy phát ra chủ yếu từ lớp khoảng 90–100 km.
- Màu vàng cam của natri phát ra quanh độ cao khoảng 90 km.
- Màu đỏ của oxy phát ra từ những lớp cao hơn nhiều, trên 150 km.
- Nhóm OH phát mạnh nhất ở vùng hồng ngoại, mắt không thấy nhưng máy ảnh và kính thiên văn hồng ngoại "thấy" rất rõ.
Các dải gợn trên ảnh là dấu vết của sóng trọng lực khí quyển – những gợn dao động truyền lên từ dông bão, gió vượt núi ở bên dưới. Quang khí không phải cực quang: cực quang do hạt từ gió Mặt Trời lao vào khí quyển ở vùng gần hai cực, còn quang khí có mặt khắp nơi, đêm nào cũng có, dù mờ hơn nhiều.
Bảng: những thứ làm sáng trời đêm tự nhiên
| Nguồn sáng | Ở đâu | Cơ chế | Thấy bằng mắt thường |
|---|---|---|---|
| Quang khí | Tầng khí quyển cao khoảng 90 km trở lên | Phát sáng do phản ứng hoá học của oxy, natri, OH | Rất mờ; ảnh phơi lâu thấy dải xanh lục, đỏ |
| Ánh sáng hoàng đạo | Đĩa bụi giữa các hành tinh | Bụi hắt ánh nắng | Có, nơi tối, sau hoàng hôn hoặc trước bình minh |
| Đối nhật quang | Bụi hành tinh phía đối diện Mặt Trời | Bụi dội ánh nắng ngược lại | Rất khó, cần trời gần như hoàn hảo |
| Ánh sao tổng hợp | Ngân Hà và các thiên hà | Ánh sáng hàng tỉ sao mờ cộng lại | Có, thành dải Ngân Hà và nền trời |
| Ánh trăng | Mặt Trăng | Mặt Trăng dội ánh nắng, tán xạ trong khí quyển | Rõ, làm mờ hết các nguồn trên |
Trừ trăng ra, cộng tất cả lại, bầu trời tối nhất trên Trái Đất vẫn có độ sáng nền nhất định. Giới thiên văn đo độ sáng ấy theo "cấp sao trên mỗi giây cung vuông"; ở nơi tối nhất thế giới, con số nằm quanh 22. Ánh đèn nhân tạo đẩy con số này xuống – đó là đề tài của bài về ô nhiễm ánh sáng.
Vì sao bầu trời không sáng rực vì vô số sao
Có một câu hỏi rất cũ: nếu vũ trụ vô tận và đầy sao đều khắp, thì nhìn hướng nào cũng phải gặp một ngôi sao, và cả bầu trời phải sáng như mặt Mặt Trời. Câu hỏi này thường được gọi là nghịch lý Olbers. Lời giải ngày nay: vũ trụ có tuổi hữu hạn, khoảng 13,8 tỉ năm, nên ánh sáng từ những vùng quá xa chưa kịp tới ta; các ngôi sao cũng có tuổi thọ; và sự giãn nở của vũ trụ kéo dài bước sóng ánh sáng từ xa, đẩy phần lớn ra khỏi vùng nhìn thấy. Bóng tối của đêm, theo một nghĩa nào đó, là bằng chứng vũ trụ có một khởi đầu.
Hiểu lầm thường gặp
- "Hình nón sáng sau hoàng hôn là ánh đèn thành phố xa." Ánh đèn thành phố là một vòm sáng thấp, rộng theo chiều ngang, nằm yên một chỗ suốt đêm. Ánh sáng hoàng đạo dựng nghiêng theo đường hoàng đạo, đi cùng vị trí Mặt Trời và tắt dần khi trời càng khuya.
- "Nơi không có đèn thì trời đen kịt." Ở chỗ tối thật, mắt đã quen tối vẫn thấy được bóng cây, đường mòn và cả bàn tay mình nhờ ánh sáng tự nhiên của trời đêm.
- "Trời có màu xanh lá trong ảnh là lỗi máy ảnh." Thường không phải. Đó là quang khí của oxy, máy ảnh ghi được vì phơi sáng lâu hơn mắt.
Tự quan sát / tự thử an toàn
- Chọn đêm. Tra lịch âm: chọn khoảng từ ngày 26 tháng này đến mùng 3 tháng sau, khi không có trăng lúc chạng vạng. Kiểm tra dự báo trời quang.
- Chọn chỗ. Một nơi thật xa đèn đường, nhìn được chân trời phía tây (buổi tối) hoặc phía đông (trước bình minh). Đi theo nhóm, báo người nhà, mang đèn pin đỏ, áo ấm; ở vùng núi không đi đường lạ ban đêm.
- Đúng giờ. Tra giờ "hết chạng vạng thiên văn" – lúc Mặt Trời xuống thấp 18 độ dưới chân trời – trong ứng dụng bản đồ sao. Ở Việt Nam thường rơi vào khoảng hơn một giờ sau hoàng hôn. Ngay sau thời điểm đó là lúc ánh sáng hoàng đạo dễ thấy nhất.
- Nhìn bằng mắt quen tối, dùng cả cách nhìn lệch. Tìm hình nón mờ nghiêng theo hướng các hành tinh đang ở trên trời, vì các hành tinh cũng nằm dọc đường hoàng đạo.
- Chụp ảnh. Điện thoại trên giá, góc rộng, phơi 15–30 giây. So một tấm chụp hướng có hình nón với một tấm cùng độ cao ở hướng khác: chênh lệch độ sáng hiện rõ trên ảnh.
Câu hỏi thường gặp
Ánh sáng hoàng đạo là gì?
Là ánh nắng được các hạt bụi nằm giữa các hành tinh hắt lại. Từ Trái Đất, nó hiện thành một hình nón mờ dựng nghiêng từ chân trời phía tây sau hoàng hôn hoặc phía đông trước bình minh, chỉ thấy được ở nơi rất tối.
Vì sao trời đêm không đen hoàn toàn?
Vì bầu trời luôn có những nguồn sáng tự nhiên rất mờ: khí quyển trên cao tự phát sáng, bụi hành tinh hắt ánh nắng, và ánh sáng của vô số ngôi sao mờ cộng lại. Ở nơi không có đèn, mắt đã quen tối vẫn thấy được cảnh vật nhờ các nguồn này.
Quang khí khác cực quang thế nào?
Quang khí do phản ứng hoá học của oxy, natri và OH ở tầng khí quyển cao, có mặt khắp nơi trên Trái Đất mọi đêm nhưng rất mờ. Cực quang do hạt mang điện từ Mặt Trời đâm vào khí quyển, chủ yếu ở vùng gần hai cực, và có thể sáng rực.
Ở Việt Nam có thấy ánh sáng hoàng đạo không?
Có, và vĩ độ thấp còn là lợi thế vì đường hoàng đạo dựng dốc gần như quanh năm. Cần một đêm không trăng, trời quang, ở nơi xa đèn như vùng cao hay vùng ven biển khô, quan sát khoảng hơn một giờ sau hoàng hôn.
Vì sao vũ trụ có vô số sao mà trời đêm vẫn tối?
Vì vũ trụ có tuổi hữu hạn nên ánh sáng từ những vùng quá xa chưa tới ta, các ngôi sao cũng có tuổi thọ, và sự giãn nở của vũ trụ kéo ánh sáng xa ra khỏi vùng nhìn thấy. Câu hỏi này được biết với tên nghịch lý Olbers.
