Các ngôi sao có màu khác nhau chủ yếu vì nhiệt độ bề mặt khác nhau. Sao nguội, khoảng 3.000–4.000 °C, phát nhiều ánh sáng đỏ nên trông đỏ cam; sao nóng trên 10.000 °C dồn năng lượng về phía xanh nên trông trắng xanh; Mặt Trời ở giữa. Mắt ta chỉ nhận ra màu ở những sao đủ sáng, vì trong bóng tối mắt chủ yếu nhìn bằng tế bào không phân biệt màu.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Nhiều người sống cả đời nghĩ sao nào cũng trắng. Thật ra chỉ cần một đêm quang và biết nhìn vào đâu. Những tối từ tháng 12 đến tháng 3, chòm Lạp Hộ (Orion) nằm cao ở phía nam và đông nam, nhận ra dễ nhờ ba ngôi sao xếp hàng ngang ở giữa. Góc trên bên trái của chòm là Betelgeuse, ánh cam đỏ rõ rệt; góc dưới bên phải là Rigel, trắng hơi xanh. Hai ngôi sao sáng ngang ngửa nhau, đứng cùng một chòm, nên đây là cặp so màu đẹp nhất bầu trời.
Gần đó, ngôi sao sáng nhất trời đêm là Thiên Lang (Sirius), trắng xanh. Phía trên Lạp Hộ có Aldebaran trong chòm Kim Ngưu, màu cam. Những tối mùa hè, từ tháng 6 đến tháng 8, phía nam có chòm Bọ Cạp với ngôi sao đỏ Antares ở giữa thân, dân gian phương Đông gọi là sao Tâm. Cũng mùa ấy, ngôi sao trắng xanh Vega nằm cao trên trời.
Cơ chế: vật càng nóng càng ngả xanh
Lò rèn và bóng đèn sợi đốt
Ai từng xem thợ rèn nung sắt đều thấy: thanh sắt mới nóng chỉ đỏ sẫm, nóng hơn thì đỏ cam, rồi vàng, rồi gần trắng. Mọi vật nóng đều phát sáng theo một quy luật chung mà vật lý gọi là bức xạ vật đen. Vật phát ra cả một dải màu liên tục, nhưng đỉnh của dải ấy – màu được phát mạnh nhất – dịch dần từ đỏ sang xanh khi nhiệt độ tăng.
Quy luật dịch đỉnh này có tên là định luật Wien: bước sóng phát mạnh nhất tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối. Nói bằng lời: nhiệt độ tăng gấp đôi thì đỉnh dịch về bước sóng ngắn bằng một nửa. Một ngôi sao 3.000 K có đỉnh nằm ở vùng hồng ngoại gần, phần nhìn thấy được thiên hẳn về đỏ. Một ngôi sao 10.000 K có đỉnh nằm trong vùng tử ngoại, phần nhìn thấy được dồi dào màu xanh và tím.
Bề mặt sao gần giống một vật đen
Ánh sáng ta thấy đến từ lớp "bề mặt" của sao, gọi là quang quyển. Phổ của nó không hoàn toàn trơn như vật đen lý tưởng – có những vạch tối do các nguyên tố hấp thụ – nhưng hình dạng chung đủ gần để màu sắc phản ánh khá đúng nhiệt độ. Các nhà thiên văn đo chênh lệch độ sáng của sao qua kính lọc xanh và kính lọc vàng, gọi là chỉ số màu, rồi suy ra nhiệt độ mà không cần đến gần.
Bảng màu, nhiệt độ và những ngôi sao dễ tìm
Đầu thế kỷ 20, các nhà thiên văn ở Đài Harvard xếp sao thành những lớp phổ, sau cùng được sắp lại theo nhiệt độ giảm dần: O, B, A, F, G, K, M. Bảng dưới ghi nhiệt độ bề mặt gần đúng, tính bằng kelvin (trừ khoảng 273 là ra độ C).
| Lớp | Nhiệt độ bề mặt (gần đúng) | Màu mắt thấy | Ví dụ dễ tìm |
|---|---|---|---|
| O | Trên 30.000 K | Xanh trắng | Hiếm, phần lớn quá mờ với mắt thường |
| B | 10.000–30.000 K | Trắng xanh | Rigel (Lạp Hộ), Spica (Xử Nữ) |
| A | 7.500–10.000 K | Trắng | Thiên Lang, Vega |
| F | 6.000–7.500 K | Trắng ngà | Procyon (Tiểu Khuyển) |
| G | 5.200–6.000 K | Trắng vàng | Mặt Trời (khoảng 5.800 K), Capella |
| K | 3.700–5.200 K | Cam | Aldebaran, Arcturus |
| M | 2.400–3.700 K | Đỏ cam | Betelgeuse, Antares |
Ranh giới giữa các lớp chỉ là quy ước, các nguồn khác nhau có thể lệch nhau vài trăm độ. Điều đáng nhớ là thứ tự: xanh nóng nhất, đỏ nguội nhất. Ngược hẳn với thói quen của ta, nơi vòi nước đỏ là nóng, xanh là lạnh.
Vì sao không có sao màu xanh lá
Một ngôi sao khoảng 5.000–6.000 K có đỉnh phát xạ nằm đúng vùng xanh lá – vàng. Vậy sao không thấy sao xanh lá? Vì dải màu của vật nóng rất rộng. Khi đỉnh nằm ở xanh lá, hai bên vẫn còn nhiều đỏ và xanh dương; ba màu cộng lại, mắt nhận là trắng hoặc trắng vàng. Không có nhiệt độ nào làm dải ấy hẹp lại chỉ còn xanh lá. Cùng lý do đó, không có sao tím hay sao hồng.
Mặt Trời cũng vậy. Nhìn từ vũ trụ, nó là một ngôi sao trắng. Ta quen gọi Mặt Trời màu vàng vì khí quyển đã lấy bớt một phần ánh sáng xanh trên đường đi xuống, và vì ta hay để ý nó lúc thấp, khi nó vàng cam rõ.
Vì sao phần lớn sao trông trắng
Võng mạc có hai loại tế bào cảm quang. Tế bào nón phân biệt màu nhưng cần nhiều ánh sáng. Tế bào que nhạy hơn nhiều nhưng không phân biệt màu. Ngôi sao mờ chỉ kích thích được tế bào que, nên mắt báo về "một chấm sáng" không màu. Chỉ những sao sáng nhất mới đủ sức đánh thức tế bào nón. Vì vậy dù có hàng nghìn ngôi sao đỏ và cam trên trời, mắt thường chỉ nhận ra màu của khoảng vài chục ngôi.
Một điểm thú vị: các sao đỏ lùn – loại sao phổ biến nhất trong Ngân Hà – đều quá mờ để thấy bằng mắt thường. Những ngôi sao đỏ ta thấy được như Betelgeuse hay Antares đều là sao siêu khổng lồ đỏ, nguội nhưng to đến mức đặt vào vị trí Mặt Trời thì bề mặt của chúng có thể vượt quá quỹ đạo Sao Hoả. Nguội mà vẫn sáng là nhờ diện tích bề mặt khổng lồ.
Hiểu lầm thường gặp
- "Sao đỏ vì nó đang chạy ra xa ta." Hiệu ứng dịch đỏ có thật, nhưng với các ngôi sao trong Ngân Hà, tốc độ của chúng quá nhỏ so với tốc độ ánh sáng để đổi màu mà mắt nhận ra. Màu sao ta thấy là màu nhiệt độ.
- "Sao xanh là sao lạnh." Ngược lại, như bảng trên.
- "Sao nhấp nháy đỏ xanh là sao có hai màu." Đó là lấp lánh do khí quyển khi sao nằm thấp, không phải màu thật của sao. Hãy đợi nó lên cao rồi nhìn lại.
- "Sao đỏ sắp nổ tung." Betelgeuse đúng là một sao già và sẽ kết thúc bằng vụ nổ siêu tân tinh, nhưng "sắp" trong thiên văn có thể là hàng chục nghìn năm. Đợt mờ đi bất thường cuối năm 2019 đầu năm 2020 được giải thích phần lớn là do một đám bụi do chính ngôi sao phun ra che bớt, không phải dấu hiệu nổ ngay.
Tự quan sát / tự thử an toàn
- Cặp so màu Betelgeuse – Rigel. Ra chỗ tối, để mắt quen tối khoảng 15 phút. Nhìn lần lượt hai sao, mỗi sao vài giây. Người mới nhìn thường nói ngay "một cam, một trắng". Ghi lại cảm nhận của bạn rồi hỏi người đi cùng.
- Mẹo làm mờ nét. Nếu có ống nhòm, vặn núm lấy nét cho hơi mờ đi. Điểm sáng nhòe thành đĩa nhỏ, màu trải trên diện tích lớn hơn nên tế bào nón dễ nhận ra. Antares và Aldebaran hiện cam rõ như hòn than.
- Chụp ảnh. Điện thoại đặt trên giá, chế độ chụp đêm hoặc thủ công phơi 5–10 giây. Màu sao trên ảnh thường đậm hơn mắt thấy, vì cảm biến không có "tế bào que".
- Bóng đèn chỉnh độ sáng. Ở nhà, nếu còn một bóng sợi đốt dùng được với công tắc vặn độ sáng, hãy vặn từ thấp lên cao: dây tóc đi từ đỏ, cam, vàng đến trắng. Đó là thang màu của các ngôi sao thu nhỏ. Không tháo bóng, không chạm vào bóng đang nóng, không tự đấu điện.
Bất cứ lúc nào dùng ống nhòm, chỉ dùng sau khi Mặt Trời đã lặn hẳn, và không bao giờ hướng về phía Mặt Trời đang lặn hay sắp mọc.
Đọc thêm: trang giáo dục thiên văn của NASA về vòng đời sao, và sơ đồ Hertzsprung – Russell trong sách giáo khoa Vật lý phần thiên văn, cho thấy màu sắc, nhiệt độ và độ sáng thật của sao liên quan với nhau thế nào.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao các ngôi sao có màu khác nhau?
Vì nhiệt độ bề mặt khác nhau. Sao nguội phát nhiều ánh sáng đỏ nên trông đỏ cam, sao nóng phát nhiều ánh sáng xanh nên trông trắng xanh. Đây là cùng một quy luật khiến thanh sắt nung đổi từ đỏ sang trắng khi nóng dần.
Sao màu xanh nóng hơn hay sao màu đỏ nóng hơn?
Sao xanh nóng hơn nhiều. Sao trắng xanh như Rigel có bề mặt trên 10.000 K, còn sao đỏ như Betelgeuse chỉ khoảng 3.500 K. Mặt Trời nằm ở giữa, khoảng 5.800 K.
Mặt Trời thật ra màu gì?
Nhìn từ ngoài khí quyển, Mặt Trời gần như trắng. Ta thấy nó vàng hay cam vì khí quyển tán xạ bớt ánh sáng xanh trên đường đi, rõ nhất khi Mặt Trời ở thấp. Tuyệt đối không nhìn thẳng Mặt Trời để kiểm tra điều này.
Vì sao không có ngôi sao màu xanh lá cây?
Vật nóng phát ra một dải màu rất rộng. Khi đỉnh dải ấy nằm ở xanh lá, vẫn còn nhiều đỏ và xanh dương hai bên, cộng lại mắt thấy trắng. Không có nhiệt độ nào khiến một ngôi sao chỉ phát xanh lá.
Vì sao nhìn bằng mắt thường hầu hết sao đều trắng?
Trong bóng tối mắt chủ yếu dùng tế bào que, loại không phân biệt màu. Chỉ các sao rất sáng mới kích thích đủ tế bào nón để ta thấy màu. Dùng ống nhòm hoặc chụp ảnh sẽ thấy màu rõ hơn.