Vành đai Kuiper, khu vực rộng lớn ở rìa hệ mặt trời của chúng ta có vô số thiên thể băng giá, là một kho tàng khám phá khoa học. Việc phát hiện và mô tả đặc điểm của các Vật thể Vành đai Kuiper (KBO), đôi khi được gọi là Vật thể xuyên Sao Hải Vương (TNO), đã dẫn đến sự hiểu biết mới về lịch sử của Hệ Mặt trời. Sự rơi ra của các vật thể trong vành đai Kuiper là một dấu hiệu cho thấy các dòng hấp dẫn đã hình thành nên hệ mặt trời và tiết lộ lịch sử năng động của sự di chuyển của các hành tinh. Kể từ cuối thế kỷ 20, các nhà khoa học đã quan tâm đến việc quan sát kỹ hơn các vật thể trong Vành đai Kuiper để tìm hiểu thêm về quỹ đạo và thành phần của chúng.

Nghiên cứu các vật thể ở bên ngoài hệ mặt trời là một trong nhiều mục tiêu của hệ mặt trời Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST). Sử dụng dữ liệu thu được bởi Webb Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec), một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã quan sát thấy ba hành tinh lùn trong Vành đai Kuiper: Sedna, Jungjung và Kwar. Những quan sát này hé lộ nhiều điều thú vị về quỹ đạo và thành phần của chúng, bao gồm các hydrocacbon nhẹ và các phân tử hữu cơ phức tạp được cho là sản phẩm của quá trình chiếu xạ khí metan.

Ông giám sát việc nghiên cứu Joshua Emery, phó giáo sư thiên văn học và khoa học hành tinh tại Đại học Bắc Arizona. Ông được tham gia cùng với các nhà nghiên cứu từ Trung tâm bay không gian Goddard (GSFC) của NASA. Viện Vật lý thiên văn không gian (Đại học Paris-Saclay). Viện Pinheadcác Viện vũ trụ Florida (Đại học Trung tâm Florida). Đài thiên văn Lowellcác Viện nghiên cứu Tây Nam (Swei), và Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian (STScI), Đại học Mỹ. và Đại học Cornell. Bản in trước của bài báo của họ đã xuất hiện trực tuyến và đang được xem xét để xuất bản bởi Icarus.

Bất chấp tất cả những tiến bộ trong thiên văn học và các nhà thám hiểm robot, những gì chúng ta biết về Trans-Neptune và Vành đai Kuiper vẫn còn hạn chế. Cho đến nay, sứ mệnh duy nhất nghiên cứu Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương và các vệ tinh chính của chúng là sứ mệnh Nhà du hành 2 Hai gã khổng lồ băng này lần lượt thực hiện sứ mệnh vào năm 1986 và 1989. Hơn nữa, những chân trời mới Nhiệm vụ này là tàu vũ trụ đầu tiên nghiên cứu Sao Diêm Vương và các mặt trăng của nó (vào tháng 7 năm 2015) và là tàu duy nhất chạm trán vật thể Vành đai Kuiper, xảy ra vào ngày 1 tháng 1 năm 2019, khi nó bay gần vành đai Kuiper được gọi là Arrokoth.

Đây là một trong nhiều lý do khiến các nhà thiên văn học háo hức chờ đợi sự ra mắt của Kính viễn vọng Không gian James Webb. Ngoài việc nghiên cứu các ngoại hành tinh và các thiên hà lâu đời nhất trong vũ trụ, khả năng chụp ảnh hồng ngoại mạnh mẽ cũng được hướng tới sân sau của chúng ta, tiết lộ những hình ảnh mới về Sao Hỏa, Sao Mộc và các vệ tinh lớn nhất của chúng. Đối với nghiên cứu của họ, Emery và các đồng nghiệp của ông đã dựa vào dữ liệu cận hồng ngoại mà Webb thu được về ba hành tinh trong Vành đai Kuiper – Sedna, Gungong và Kuar. Những vật thể này có đường kính khoảng 1.000 km (620 dặm), khiến chúng nằm trong phạm vi Phân loại của Hiệp hội Thiên văn Quốc tế về các hành tinh lùn.

Như Emery đã nói với Universe Today qua email, những vật thể này đặc biệt thú vị đối với các nhà thiên văn học vì kích thước, quỹ đạo và thành phần của chúng. Các vật thể ngoài Sao Hải Vương khác – chẳng hạn như Sao Diêm Vương, Eris, Haumea và Makemake – đã giữ lại các lớp băng dễ bay hơi trên bề mặt của chúng (nitơ, mêtan, v.v.). Ngoại lệ duy nhất là Haumea, chất dễ bay hơi bị mất tác dụng (dường như) đáng kể. Như Emery đã nói, họ muốn biết liệu Sedna, Goonggong và Quaoar có chất dễ bay hơi tương tự trên bề mặt của chúng hay không:

“Công việc trước đây đã cho thấy chúng có thể làm được điều đó. Mặc dù chúng đều có kích thước gần giống nhau nhưng quỹ đạo của chúng khác nhau. Sedna là một vật thể từ Đám mây Oort bên trong với điểm cận nhật là 76 AU và điểm cực đại khoảng 1.000 AU. Gunggung nằm trong một quỹ đạo hình elip Cũng cực kỳ quan trọng, với điểm cận nhật 33 AU và điểm cực đại ~100 AU, Cowar nằm trong một quỹ đạo tương đối tròn gần 43 AU. Những quỹ đạo này đặt các vật thể ở các chế độ nhiệt độ khác nhau và môi trường bức xạ khác nhau (ví dụ: Sedna dành phần lớn thời gian của nó để thời gian bên ngoài nhật quyển của mặt trời. Chúng tôi muốn nghiên cứu xem những quỹ đạo khác nhau đó ảnh hưởng như thế nào đến các bề mặt. Ngoài ra còn có các loại băng thú vị khác và các vật liệu hữu cơ phức tạp trên bề mặt.

Sử dụng dữ liệu từ thiết bị Webb NIRSpec, nhóm nghiên cứu đã quan sát cả ba vật thể ở chế độ lăng kính có độ phân giải thấp ở bước sóng trải dài từ 0,7 đến 5,2 micromet (µm) – đặt tất cả chúng trong phổ cận hồng ngoại. Các quan sát Quaoar bổ sung được thực hiện từ 0,97 đến 3,16 μm bằng cách sử dụng lưới có độ phân giải trung bình với độ phân giải quang phổ gấp mười lần. Quang phổ thu được tiết lộ một số điều thú vị về các vật thể TNO này và thành phần bề mặt của chúng, Emery nói:

“Chúng tôi tìm thấy rất nhiều ethane (C2H6) trên ba vật thể, đáng chú ý nhất là ở Sedna. Sedna cũng có chứa acetylene (C2H2) và ethylene (C2H4). Sự dồi dào này liên quan đến quỹ đạo (hầu hết ở Sedna, ít hơn ở Gunggung, và ít nhất là trên Kuwar), phù hợp với nhiệt độ tương đối và môi trường bức xạ. Những phân tử này là sản phẩm của sự chiếu xạ trực tiếp khí metan (CH4). Nếu ethane (hoặc loại khác) hiện diện trên các bề mặt trong một thời gian dài, nó sẽ bị biến đổi thành các phân tử phức tạp hơn bằng chiếu xạ.Vì vẫn còn nhìn thấy chúng nên chúng tôi nghi ngờ rằng Mái nhà phải được tiếp nhiên liệu bằng khí mê-tan (CH4) một cách khá thường xuyên.

Những phát hiện này phù hợp với những phát hiện được trình bày trong một cặp nghiên cứu gần đây mà ông dẫn đầu Tiến sĩ Will Grundynhà thiên văn học tại Đài thiên văn Lowell và cộng tác viên nghiên cứu tại NASA những chân trời mới nhiệm vụ và Chris Glenn, một nhà khoa học hành tinh và nhà địa hóa học tại SwRI. Trong cả hai nghiên cứu, Grundy, Glenn và các đồng nghiệp của họ đã đo tỷ lệ đơteri/hydro (D/H) trong khí mê-tan trên Iris và Makemake và kết luận rằng khí mê-tan không phải là nguyên thủy. Thay vào đó, họ lập luận rằng các tỷ lệ này là do khí metan được xử lý bên trong và đưa lên bề mặt.

Emery nói: “Chúng tôi cho rằng điều tương tự có thể đúng với Sedna, Gonggong và Quaoar. “Chúng tôi cũng thấy rằng quang phổ của Sedna, Goonggong và Quaoar khác với quang phổ của các KBO nhỏ hơn. Đã có các cuộc đàm phán tại hai hội nghị gần đây cho thấy dữ liệu của Kính viễn vọng Không gian James Webb về cụm KBO nhỏ hơn chia thành ba nhóm, không nhóm nào trong số đó giống Sedna, Gonggong và Quaoar. Họ đồng ý Đây là kết quả mặc dù ba thiên thể lớn hơn của chúng ta có lịch sử địa nhiệt khác nhau.

Những kết quả này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc nghiên cứu các vật thể trong Vành đai Kuiper, TNO và các vật thể khác ở bên ngoài hệ mặt trời. Điều này bao gồm cái nhìn sâu sắc mới về sự hình thành của các vật thể nằm ngoài đường băng giá trong các hệ hành tinh, trong đó đề cập đến đường mà các hợp chất dễ bay hơi đóng băng. Trong hệ mặt trời của chúng ta, vùng xuyên sao Hải Vương tương ứng với đường nitơ, nơi các vật thể giữ lại một lượng lớn vật liệu dễ bay hơi với điểm đóng băng rất thấp (chẳng hạn như nitơ, metan và amoniac). Emery cho biết những phát hiện này cũng minh họa loại quá trình tiến hóa xảy ra trong các cơ thể ở khu vực này:

“Tác động chính có thể là tìm ra mức độ mà tại đó các vật thể trong Vành đai Kuiper trở nên đủ ấm để tái xử lý bên trong lớp băng nguyên thủy và thậm chí có thể phân biệt được. Chúng ta cũng có thể sử dụng những quang phổ này để hiểu rõ hơn về quá trình xử lý bức xạ của băng bề mặt trong Các nghiên cứu trong tương lai cũng sẽ có thể xem xét chi tiết hơn về độ ổn định dễ bay hơi và khả năng bầu khí quyển trong các vật thể này nằm trên bất kỳ phần nào của quỹ đạo của chúng.

Kết quả của nghiên cứu này cũng chứng minh khả năng của Kính viễn vọng Không gian James Webb, kính viễn vọng này đã nhiều lần chứng minh được giá trị của nó kể từ khi đi vào hoạt động vào đầu năm ngoái. Chúng cũng nhắc nhở chúng ta rằng ngoài việc cho phép những hiểu biết và khám phá mới về các hành tinh, thiên hà xa xôi và cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ, Webb còn có thể tiết lộ những điều về góc nhỏ vũ trụ của chúng ta.

Emery nói thêm: “Dữ liệu của Kính viễn vọng Không gian James Webb thật tuyệt vời. “Nó cho phép chúng tôi thu được quang phổ ở những bước sóng dài hơn so với những gì chúng tôi có thể thu được từ Trái đất, điều này cho phép chúng tôi phát hiện những băng này. Thông thường, khi quan sát ở một phạm vi bước sóng mới, dữ liệu thô có thể có chất lượng rất kém. Kính thiên văn James Webb thì không.” đã mở Tàu thăm dò không gian không chỉ cung cấp một phạm vi bước sóng mới mà còn cung cấp dữ liệu cực kỳ nhạy cảm và chất lượng cao về nhiều loại vật liệu bề mặt ở bên ngoài hệ mặt trời.

Đọc sâu: arXiv