Các nhà thiên văn học đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb để quan sát ba hành tinh lùn trong Vành đai Kuiper và phát hiện ra các hydrocacbon nhẹ và các phân tử phức tạp. Những khám phá này nâng cao hiểu biết của chúng ta về các vật thể trong hệ mặt trời bên ngoài và nêu bật khả năng của Kính viễn vọng Không gian James Webb trong việc khám phá không gian.

Trong tầm nhìn của nghệ sĩ này, vật thể giống hành tinh mới được phát hiện có tên "Sedna" nằm ở rìa ngoài của hệ mặt trời đã biết. Nguồn hình ảnh: NASA/JPL-Caltech

Vành đai Kuiper là một khu vực rộng lớn ở rìa hệ mặt trời. Nó chứa vô số vật thể băng giá và 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 mang lại những hiểu biết mới về lịch sử của hệ mặt trời. Sự sắp xếp của các vật thể trong Vành đai Kuiper là một chỉ báo về các dòng hấp dẫn 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 háo hức xem xét kỹ hơn các KBO để tìm hiểu thêm về quỹ đạo và thành phần của chúng.

Quan sát từ Kính viễn vọng Không gian James Webb

Nghiên cứu các vật thể bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta là một trong nhiều mục tiêu của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST). Sử dụng dữ liệu từ Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec) của Kính thiên văn Webb, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã quan sát ba hành tinh lùn trong Vành đai Kuiper: Sedna, Gonggong và Quaoar. Những quan sát này tiết lộ một số hiện tượng thú vị trong quỹ đạo và thành phần tương ứng 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.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Joshua Emery, giáo sư thiên văn học và khoa học hành tinh tại Đại học Bắc Arizona. Các nhà nghiên cứu từ Trung tâm bay không gian Goddard của NASA (GSFC), Viện vật lý thiên văn của Đại học Paris-Saclay, Viện Pinhead, Viện Vũ trụ Florida (Đại học Trung tâm Florida), Đài thiên văn Lowell, Viện nghiên cứu Tây Nam (SwRI), Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian (STScI), Đại học Mỹ và Đại học Cornell cũng tham gia nghiên cứu. Bản in trước của bài báo của họ đã được xuất bản trực tuyến và đang được Icarus xem xét.

Kể từ chuyến bay cuối cùng tới vật thể Vành đai Kuiper Arrokoth, sứ mệnh New Horizons đã khám phá các vật thể Vành đai Kuiper và tiến hành quan sát nhật quyển và vật lý thiên văn. Nguồn: NASA/JHUAPL/SwRI//RomanTkachenko

Lịch sử khám phá vành đai Kuiper

Bất chấp những tiến bộ vượt bậc trong thiên văn học và máy dò robot, sự hiểu biết của chúng ta về Vùng xuyên Hải Vương tinh 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 mặt trăng chính của chúng là sứ mệnh Du hành 2, bay qua những gã khổng lồ băng này lần lượt vào năm 1986 và 1989. Ngoài ra, New Horizons là tàu vũ trụ đầu tiên nghiên cứu Sao Diêm Vương và các mặt trăng của nó (tháng 7 năm 2015) và là tàu vũ trụ duy nhất chạm trán một vật thể trong Vành đai Kuiper. Nó bay ngang qua vật thể Kuiper có tên "Arokos" vào ngày 1 tháng 1 năm 2019.

Kỳ vọng của các nhà thiên văn học đối với JWST

Đây là một trong nhiều lý do khiến các nhà thiên văn háo hức chờ đợi sự ra mắt của JWST. Ngoài việc nghiên cứu các ngoại hành tinh và các thiên hà sớm nhất trong vũ trụ, khả năng chụp ảnh hồng ngoại mạnh mẽ của nó cũng đang được hướng tới sân sau của chúng ta, tiết lộ những hình ảnh mới về Sao Hỏa, Sao Mộc và các mặt trăng lớn nhất của chúng. Trong nghiên cứu, Emery và các đồng nghiệp đã đề cập đến dữ liệu cận hồng ngoại mà Webb thu được của ba hành tinh thuộc vành đai Kuiper – Sedna, Gonggong và Quaoar. Những vật thể này có chiều ngang khoảng 1.000 km (620 dặm) và được xếp vào loại hành tinh lùn của Liên minh Thiên văn Quốc tế (IAU).

Thông tin chi tiết về các hành tinh lùn

Các nhà thiên văn học đặc biệt quan tâm đến những vật thể này vì kích thước, quỹ đạo và thành phần của chúng. Các vật thể xuyên sao Hải Vương khác, chẳng hạn như Sao Diêm Vương, Eris, Haumea, v.v., đều giữ lại các chất băng dễ bay hơi (nitơ, metan, v.v.) trên bề mặt của chúng. Ngoại lệ duy nhất là Haumea, nó bị mất chất dễ bay hơi sau một vụ va chạm lớn (dường như vậy). Do đó, các nhà thiên văn học muốn xem liệu Sedna, Gongong và Quior có các chất dễ bay hơi tương tự trên bề mặt của chúng hay không:

" Công việc trước đây cho thấy chúng có thể như vậy. Mặc dù chúng có kích thước gần giống nhau nhưng quỹ đạo của chúng rất khác nhau. Sedna là một vật thể bên trong đám mây Oort, với điểm cận nhật là 76 AU và điểm viễn nhật gần 1.000 AU; quỹ đạo của Gongong cũng rất lớn hình elip, Điểm cận nhật là 33 AU và điểm viễn nhật là khoảng 100 AU; Quỹ đạo của Quiall tương đối tròn, gần 43 AU. Những quỹ đạo này khiến vật thể tiếp xúc với các chế độ nhiệt độ khác nhau và môi trường chiếu xạ khác nhau (ví dụ, Sedna dành phần lớn thời gian của nó bên ngoài nhật quyển của Mặt trời).

Hình ảnh PRISM từ một trong hai quan sát của Sedna, Gonggong và Quiall. Nguồn: Emery, J.P. và cộng sự. (2023)

Sử dụng dữ liệu từ Kính thiên văn cận hồng ngoại Webb (NIRSpec), nhóm nghiên cứu đã quan sát ba vật thể ở chế độ lăng kính có độ phân giải thấp với bước sóng từ 0,7 micron đến 5,2 micron - đặt tất cả chúng vào quang phổ cận hồng ngoại. Ngoài ra, họ còn thực hiện các quan sát bổ sung về Quaoar ở bước sóng từ 0,97 đến 3,16 micron bằng cách sử dụng cách tử có độ phân giải trung bình, cung cấp độ phân giải quang phổ gấp 10 lần. Emery cho biết:

" Chúng tôi tìm thấy nhiều ethane (C2H6) trên cả ba vật thể, trong đó Sedna là nổi bật nhất. Sedna cũng cho thấy acetylene (C2H2) và ethylene (C2H4). Sự phong phú phụ thuộc vào quỹ đạo (hầu hết trên Sedna) Nhiều hơn, ít hơn trên đồng nghiệp, ít nhất trên Cuiol), điều này phù hợp với nhiệt độ tương đối và môi trường chiếu xạ. Các phân tử này là sản phẩm chiếu xạ trực tiếp của metan (CH4). Nếu ethane (hoặc các chất khác) tồn tại trên bề mặt trong một thời gian dài, chúng sẽ bị chuyển đổi thành các phân tử phức tạp hơn khi được chiếu xạ. Vì chúng tôi vẫn có thể nhìn thấy chúng nên chúng tôi nghi ngờ rằng khí metan (CH4) phải được bổ sung thường xuyên trên bề mặt.

Những phát hiện này phù hợp với kết quả trong hai nghiên cứu gần đây do Tiến sĩ Will Grundy, nhà thiên văn học tại Đài quan sát Lowell và đồng điều tra viên sứ mệnh Chân trời mới của NASA, và Chris Glein, nhà khoa học hành tinh và nhà địa hóa học tại Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Sĩ dẫn đầu. Trong cả hai nghiên cứu, Grandi, Glien và các đồng nghiệp của họ đã đo tỷ lệ đơteri/hydro (D/H) trong khí mê-tan trên Eris và Makmak và kết luận rằng khí mê-tan này không còn nguyên chất. Thay vào đó, họ tin rằng những tỷ lệ này là kết quả của khí metan được vận chuyển lên bề mặt sau khi được xử lý bên trong nó.

Emory cho biết: "Chúng tôi nghĩ điều tương tự có thể đúng với Sedna, Gonggong và Quiall. Chúng tôi cũng nhận thấy rằng quang phổ của Sedna, Gonggong và Quiall rất khác so với quang phổ của KBO nhỏ hơn. Tại hai cuộc họp gần đây nhất, dữ liệu JWST cho thấy KBO nhỏ hơn có ba nhóm, không nhóm nào trông giống ba nhóm, một kết quả phù hợp với ba đối tượng lớn hơn của chúng tôi có khác biệt lịch sử địa nhiệt. "

So sánh tám NEO lớn nhất với Trái đất (tất cả đều theo tỷ lệ). Nguồn hình ảnh: NASA/Lexicon

Tác động của các phát hiện

Những phát hiện này có thể có tác động lớn đến việc nghiên cứu KBO, TNO và các vật thể khác bên ngoài hệ mặt trời. Điều này bao gồm những hiểu biết mới về sự hình thành các vật thể trong các hệ hành tinh nằm ngoài đường băng giá, ranh giới nơi các hợp chất dễ bay hơi đóng băng ở dạng rắn. Trong hệ mặt trời của chúng ta, vùng xuyên sao Hải Vương tương ứng với đường nitơ, nơi các vật thể sẽ giữ lại một lượng lớn vật liệu dễ bay hơi với điểm đóng băng cực thấp (tức là nitơ, metan và amoniac). Emery cho biết những phát hiện này cũng chứng minh loại vật thể trong quá trình tiến hóa trong khu vực này đang trải qua:

" Tác động chính có thể là tìm ra kích thước mà KBO đã trở nên đủ ấm để trải qua. "Chúng ta cũng có thể sử dụng những quang phổ này để hiểu rõ hơn về quá trình chiếu xạ của băng trên bề mặt bên ngoài của hệ mặt trời. Các nghiên cứu trong tương lai cũng sẽ có thể quan sát độ ổn định dễ bay hơi và bầu không khí của những vật thể này một cách chi tiết hơn."

Kết quả của nghiên cứu này cũng chứng minh khả năng của JWST, đã chứng minh được giá trị của nó nhiều lần kể từ khi đi vào hoạt động vào đầu năm ngoái. Chúng cũng nhắc nhở chúng ta rằng ngoài những hiểu biết và đột 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 từ JWST thật tuyệt vời. "Chúng cho phép chúng tôi thu được quang phổ có bước sóng dài hơn so với trên mặt đất, cho phép chúng tôi phát hiện những băng này. Thông thường, khi thực hiện quan sát ở một phạm vi bước sóng mới, chất lượng dữ liệu ban đầu có thể kém. JWST không chỉ mở ra một phạm vi bước sóng mới mà còn cung cấp dữ liệu chất lượng cao, nhạy cảm với nhiều loại vật liệu trên bề mặt bên ngoài của hệ mặt trời. "

Chuyển thể từ một bài báo được xuất bản lần đầu trên tạp chí Universe Today.