เวบบ์และฮับเบิลพบวัตถุจิ๋วหลังเนปจูน ชี้อาจเก็บร่องรอยกำเนิดระบบสุริยะไว้

วัตถุขนาดเล็กที่สุดที่เรารู้จักซึ่งโคจรอยู่ไกลเลยดาวเนปจูน กำลังทำให้ข้อสมมติสำคัญเกี่ยวกับแถบไคเปอร์ถูกตั้งคำถาม เดิมทีนักดาราศาสตร์คาดว่า การชนกันตลอดเวลาน่าจะบดวัตถุจำนวนมากให้แตกเป็นเศษเล็กเศษน้อย และคอยเปลี่ยนสภาพพื้นผิวของมันอยู่เสมอ

แต่การสำรวจร่วมด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและเจมส์ เวบบ์ กลับพบวัตถุพ้นดาวเนปจูน หรือ TNOs (Trans-Neptunian Objects) ที่มืดสลัวที่สุดน้อยกว่าที่คาด ขณะเดียวกัน สีของวัตถุเหล่านี้ยังสอดคล้องกับวัตถุขนาดใหญ่ในกลุ่มพลวัตเดียวกัน ผลทั้งสองด้านจึงชวนให้คิดว่า วัตถุจิ๋วบางส่วนอาจยังเก็บหลักฐานการก่อตัวของดาวเคราะห์น้อยกำเนิด หรือแพลนเนทิซิมอล ไว้จากจานฝุ่นและก๊าซชั้นนอกของระบบสุริยะยุคแรก 112

พบ 27 วัตถุใหม่ ในพื้นที่ท้องฟ้าเล็กนิดเดียว

กล้อง NIRCam ของเวบบ์ตรวจพบ TNO ที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน 27 ดวง จากพื้นที่บนท้องฟ้าราว 0.05 ตารางองศา วัตถุเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 40 กิโลเมตร และมีอย่างน้อยหนึ่งดวงที่ประเมินว่ากว้างเพียงราว 10 กิโลเมตร

ฮับเบิลติดตามตรวจพบวัตถุ 13 ดวงจากชุดเดียวกันในย่านแสงที่ตามองเห็น ทำให้นักวิจัยเปรียบเทียบการวัดได้ตั้งแต่แสงที่ตามองเห็นไปจนถึงย่านใกล้อินฟราเรด 112

ชุดข้อมูลจากเวบบ์ให้ค่าความชันของฟังก์ชันการกระจายความสว่างในช่วงวัตถุจางประมาณ 0.29 กล่าวอย่างง่าย จำนวนวัตถุเพิ่มขึ้นเมื่อวัตถุจางลง ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงขนาดเล็กลง แต่เพิ่มขึ้นช้ากว่าที่การคาดการณ์ต่อยอดจากประชากรวัตถุขนาดใหญ่บ่งชี้ นั่นทำให้การสำรวจครั้งนี้พบวัตถุขนาดเล็กน้อยกว่าหลายแบบจำลองเกี่ยวกับการก่อกำเนิดดาวเคราะห์และวิวัฒนาการของแถบไคเปอร์คาดไว้ 12

เหตุใดการมีวัตถุจิ๋วน้อยกว่าคาดจึงสำคัญ

หากเกิดการชนกันอย่างรุนแรงและต่อเนื่องเป็นเวลานาน กระบวนการดังกล่าวควรสร้างเศษวัตถุขนาดเล็กจำนวนมาก การกระจายตัวของวัตถุจางที่ตื้นกว่าคาดไม่ได้ระบุได้เองว่าเกิดจากกลไกใด แต่ทำให้คำอธิบายแบบตรงไปตรงมาที่ว่า TNO ขนาดเล็กส่วนใหญ่เป็นเพียงเศษซากจากวัตถุใหญ่แตกละเอียด มีน้ำหนักลดลง 12

ความเป็นไปได้ที่ยังเปิดอยู่ ได้แก่

• การกัดกร่อนจากการชนอาจมีประสิทธิภาพต่ำกว่าที่แบบจำลองบางแบบตั้งไว้ หรือเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นกว่า
• TNO ขนาดเล็กที่สุดที่ตรวจจับได้อาจไม่ได้เป็นเศษแตกจากการชนเป็นหลัก
• จำนวนของมันอาจยังสะท้อนกระบวนการเริ่มต้นที่รวมตัวของแข็งให้กลายเป็นแพลนเนทิซิมอลในระบบสุริยะยุคแรก 12

ประเด็นจึงไม่ได้อยู่ที่การชนในภายหลังเท่านั้น แต่ย้อนกลับไปถึงเงื่อนไขตั้งต้นของการก่อกำเนิดแพลนเนทิซิมอล แบบจำลองที่อธิบายระบบสุริยะชั้นนอกได้ต้องอธิบายทั้งวงโคจรของวัตถุ และความขาดแคลนของวัตถุขนาดเล็กในชุดสำรวจลึกนี้ด้วย

กลุ่มวงโคจร “เย็น” และ “ร้อน” มีขนาดคล้ายกันอย่างน่าประหลาด

TNO มักแบ่งตามลักษณะการเคลื่อนที่ในวงโคจร กลุ่มพลวัตเย็นมักมีวงโคจรค่อนข้างเสถียร เอียงน้อย และเกือบเป็นวงกลม ส่วนกลุ่มพลวัตร้อนมีวงโคจรที่ถูกรบกวนหรือกระจัดกระจายมากกว่า ซึ่งเชื่อมโยงกับวิวัฒนาการเชิงพลวัตของระบบสุริยะในภายหลัง

แม้มีประวัติแตกต่างกัน การสำรวจกลับพบว่าการกระจายขนาดของวัตถุเล็กในสองกลุ่มนี้คล้ายกัน นั่นไม่ใช่ผลที่คาดได้ชัดเจน หากทั้งสองกลุ่มก่อกำเนิดในสภาพแวดล้อมต่างกันมาก และผ่านการชนในระดับต่างกันอย่างมากเช่นกัน

คำอธิบายหนึ่งคือ กระบวนการสร้างแพลนเนทิซิมอลอาจกำหนดสเปกตรัมขนาดของวัตถุเล็กที่คล้ายกันในหลายบริเวณของจานกำเนิดระบบสุริยะ 112

สีพื้นผิวบอกว่าวัตถุเล็กอาจไม่ถูก “รีเซ็ต” ด้วยการชน

การติดตามวัตถุ 13 ดวงด้วยฮับเบิลเปิดทางให้ทีมวิจัยเปรียบเทียบสีในย่านแสงที่ตามองเห็นและใกล้อินฟราเรด ผลที่ได้ไม่ได้แสดงชุดสีที่ปะปนหรือเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นระบบอย่างเด่นชัด ตรงกันข้าม TNO ขนาดเล็กมีความสัมพันธ์ของสีตามชนิดประชากรเช่นเดียวกับที่พบในวัตถุขนาดใหญ่กว่า 113

ผลนี้สอดคล้องกับคำอธิบายที่อาจเกิดร่วมกันได้สองข้อ คือ การชนที่รุนแรงพอจะเปลี่ยนสภาพพื้นผิวทั้งดวงอาจเกิดไม่บ่อยอย่างที่เคยคิด หรือการชนไม่ได้ลบเลือนวัสดุบนพื้นผิวซึ่งเป็นต้นกำเนิดของลักษณะสีได้มีประสิทธิภาพเท่าที่แบบจำลองคาด 113

นัยสำคัญยิ่งอยู่ที่วัตถุซึ่งวงโคจรถูกกระจัดกระจาย ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนวงโคจรได้มาก แต่ความสัมพันธ์ของสีที่ยังเห็นอยู่ชี้ว่า การย้ายตำแหน่งในวงโคจรไม่ได้ลบประวัติองค์ประกอบของพื้นผิวเสมอไป ทั้งวัตถุในวงโคจรเสถียรและวัตถุที่ผ่านการกระตุ้นทางพลวัตจึงอาจยังเก็บเบาะแสถึงแหล่งกำเนิดอันต่างกันในระบบสุริยะชั้นนอกยุคแรก 113

นักวิจัยสองคนกับงานที่เสริมกัน

งานวิเคราะห์ที่เชื่อมโยงกันนี้นำโดยนักศึกษาปริญญาเอกสองคน อนาสตาเซีย เอ็น. มอร์แกน จากมหาวิทยาลัยนอร์เทิร์นแอริโซนา นำการศึกษาที่รวมภาพจากเวบบ์และฮับเบิล เพื่อวิเคราะห์สีและพื้นผิวของ TNO ขนาดเล็กตั้งแต่ย่านแสงที่ตามองเห็นถึงใกล้อินฟราเรด

ส่วนมาเรียลล์ อาร์. เอดูอาร์โด จากมหาวิทยาลัยวิกตอเรีย นำการวิเคราะห์ฟังก์ชันการกระจายความสว่าง ซึ่งวัดการกระจายของวัตถุจางและพบความชันที่ตื้นดังกล่าว 1213

บทบาทของกล้องทั้งสองจึงเสริมกันโดยตรง: เวบบ์ผลักขีดความสามารถไปถึงการตรวจจับวัตถุอินฟราเรดที่จางมาก ขณะที่ฮับเบิลให้ข้อมูลในแสงที่ตามองเห็นสำหรับส่วนหนึ่งของประชากรเดียวกัน 112

สิ่งที่การสำรวจนี้ยังตอบไม่ได้

แม้นี่เป็นการสำรวจ TNO ที่ลึกที่สุดเท่าที่เคยมีมา แต่ไม่ใช่การสำรวจสำมะโนครบถ้วนของระบบสุริยะชั้นนอก ข้อสรุปยังจำกัดด้วยตัวอย่าง 27 ดวงจากเวบบ์ การติดตามในแสงที่ตามองเห็น 13 ดวง และพื้นที่สำรวจเพียงราว 0.05 ตารางองศา

ผลของการคัดเลือกจากความสามารถในการตรวจจับและติดตาม วงโคจรที่สังเกตได้เพียงช่วงสั้น ๆ รวมถึงความไม่แน่นอนในการแปลงความสว่างเป็นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง เพราะต้องอาศัยสมมติฐานเรื่องความสามารถสะท้อนแสง ล้วนทำให้ยังสรุปผลในภาพรวมได้ไม่เต็มที่ 112

ดังนั้น งานนี้ยังไม่อาจกำหนดการกระจายขนาดของ TNO ทั่วทั้งระบบสุริยะได้อย่างชี้ขาด หรือเลือกกลไกการกำเนิดแพลนเนทิซิมอลเพียงแบบเดียวได้ ช่วงขนาดราว 10–40 กิโลเมตรที่รายงานยังเป็นเพียงส่วนหนึ่งของประชากร TNO ที่ใหญ่กว่านั้นมาก 112

ฟอสซิลจากจานกำเนิดดาวเคราะห์ชั้นนอก

ความสำคัญหลักของผลลัพธ์นี้คือ วัตถุที่ก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์ต้องอาศัยการคาดคะเนจากข้อมูลของวัตถุใหญ่กว่า กำลังกลายเป็นหลักฐานที่ตรวจวัดได้โดยตรง จำนวน วงโคจร และสีของมันร่วมกันช่วยจำกัดคำอธิบายว่า จานกำเนิดดาวเคราะห์ชั้นนอกสร้างแพลนเนทิซิมอลอย่างไร และการชนกับการย้ายวงโคจรของดาวเคราะห์ได้เปลี่ยนแปลงวัตถุเหล่านี้ไปมากเพียงใด 112

หากการสำรวจร่วมขนาดใหญ่ในอนาคตพบรูปแบบการกระจายวัตถุเล็กที่ตื้นและความสัมพันธ์ของสีที่ยังคงอยู่ในบริเวณอื่นของแถบไคเปอร์ด้วย TNO ขนาดจิ๋วเหล่านี้อาจเป็นฟอสซิลทางกายภาพที่ทนทานอย่างยิ่งจากยุคแรกสุดของระบบสุริยะ 112