JWST phát hiện khoáng sét trên các mặt trăng bên trong của Sao Hải Vương

Những gì thiết bị NIRSpec của JWST tiết lộ

Sử dụng thiết bị NIRSpec của JWST, các nhà nghiên cứu đã thu được quang phổ chi tiết đầu tiên của các mặt trăng và vành đai bên trong của Sao Hải Vương. Kết quả thật bất ngờ:

• Không phát hiện băng nước. Không giống như các mặt trăng băng giá điển hình trong hệ Mặt Trời bên ngoài—vốn có các đặc điểm hấp thụ băng nước mạnh ở bước sóng 1,5, 2 và 3 micromet—quang phổ của Proteus, Larissa và Galatea không hề có dấu hiệu nào. Đây là một kết quả hoàn toàn bất ngờ đối với các vật thể ở khoảng cách xa khổng lồ so với Mặt Trời như Sao Hải Vương .
• Xác định khoáng sét (phyllosilicat). Quang phổ cho thấy các dải hấp thụ sâu tập trung ở bước sóng 3 micromet, được cho là do dao động của liên kết OH trong phyllosilicat giàu magiê. Larissa và Galatea cho thấy đặc điểm hấp thụ hình "dấu kiểm" đặc trưng ở bước sóng 2,72 micromet, khớp với phyllosilicat dạng serpentine. Quang phổ của Proteus có phần khác biệt nhưng vẫn phù hợp với cùng một họ vật liệu .
• Các vành đai có cùng thành phần. Các vành đai bụi bên trong của Sao Hải Vương cũng cho thấy các dấu hiệu của phyllosilicat, xác nhận chúng là một phần của cùng một hệ thống mảnh vụn .

"Phyllosilicat chưa từng được phát hiện ở bất kỳ đâu trong hệ Mặt Trời bên ngoài ngoài Sao Mộc, vì vậy đó không phải là thứ nằm trong danh sách những thứ chúng tôi tìm kiếm," nhà khoa học hành tinh Ryleigh Davis của Caltech, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết .

Thảm họa Triton: Một mặt trăng lang thang bị bắt giữ đã hủy diệt cả một thế hệ mặt trăng

Khám phá này liên quan trực tiếp đến mặt trăng lớn nhất của Sao Hải Vương, Triton, vốn từ lâu đã khiến các nhà thiên văn bối rối. Triton quay quanh Sao Hải Vương theo hướng nghịch hành (ngược lại)—ngược với chiều quay của hành tinh—dẫn đến kết luận rằng nó không được sinh ra trong quỹ đạo quanh Sao Hải Vương mà đã bị bắt giữ từ Vành đai Kuiper hàng tỷ năm trước .

Khi Triton bị bắt giữ, lực hấp dẫn khổng lồ và quỹ đạo suy tàn hỗn loạn của nó đã xé nát toàn bộ hệ thống mặt trăng thông thường nguyên thủy của Sao Hải Vương, nghiền chúng thành đống đổ nát. Một số mảnh vụn đó sau đó kết tụ lại dưới tác dụng của trọng lực để tạo thành các mặt trăng nhỏ bên trong mà chúng ta thấy ngày nay (Proteus, Larissa, Galatea, Naiad, Thalassa, Despina) và các vành đai . Điều này giải thích tại sao các mặt trăng này nhỏ hơn và bất thường hơn nhiều so với các vệ tinh nguyên thủy của Sao Hải Vương.

Nguồn gốc của khoáng sét: Bên trong của những thế giới đại dương đã mất

Sự hiện diện của khoáng sét trên các mặt trăng nhỏ, lạnh giá này đặt ra một câu đố: phyllosilicat đòi hỏi sự tiếp xúc kéo dài giữa nước lỏng và đá để hình thành. Chúng không thể hình thành trên bề mặt của các thiên thể không có không khí nhỏ bé trong hệ Mặt Trời bên ngoài—chúng cần nhiệt độ, áp suất cao và nước lỏng chỉ có ở sâu bên trong các thế giới lớn hơn nhiều .

"Các mặt trăng mà chúng tôi đang kiểm tra—Larissa và Galatea—quá nhỏ và quá lạnh để bất kỳ phản ứng hóa học nào như vậy có thể diễn ra tại chỗ," Tiến sĩ Davis giải thích . "Do đó, đất sét chắc hẳn phải có nguồn gốc từ nơi khác: có khả năng là từ sâu bên trong một thiên thể lớn hơn nhiều."

Các nhà nghiên cứu giải thích các khoáng sét là vật liệu bên trong của các thiên thể mẹ lớn hơn nhiều—có khả năng là những thế giới băng giá có kích thước bằng một số mặt trăng của Sao Thổ hoặc Sao Thiên Vương—từng có các đại dương nước lỏng dưới bề mặt và hoạt động địa chất bên trong. Khi Triton phá vỡ các mặt trăng nguyên thủy này, nó đã làm lộ ra phần lõi sâu bên trong của chúng, và mảnh vụn giàu đất sét đó sau đó tái kết tụ thành các mặt trăng bên trong và vành đai hiện tại .

Tiêu đề của nghiên cứu—"Các mặt trăng bên trong và vành đai của Sao Hải Vương là phần bên trong lộ ra của các thiên thể băng giá"—đã định hình các vật thể này như những mẫu vật còn sót lại của vật chất từ sâu bên trong các thế giới đại dương đã bị hủy diệt, một cơ hội hiếm có để nghiên cứu vật chất mà bình thường sẽ bị chôn vùi hàng km dưới bề mặt của một mặt trăng lớn hơn .

Ý nghĩa rộng hơn đối với lịch sử hành tinh của Sao Hải Vương

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu sự tiến hóa độc đáo của Sao Hải Vương:

• Một hệ thống mặt trăng thế hệ thứ hai. Các mặt trăng bên trong của Sao Hải Vương không phải là nguyên thủy. Chúng hình thành từ hậu quả của một thảm họa, khiến Sao Hải Vương khác biệt cơ bản so với Sao Thổ, Sao Mộc và Sao Thiên Vương, nơi các mặt trăng bên trong được cho là đã hình thành cùng với hành tinh của chúng .
• Giới hạn thời gian cho sự bắt giữ Triton. Bởi vì các mảnh vụn từ các mặt trăng nguyên thủy bị phá hủy phải tái kết tụ thành các mặt trăng bên trong hiện tại, sự bắt giữ Triton chắc hẳn đã xảy ra đủ sớm trong lịch sử hệ Mặt Trời để các mảnh vụn kết tụ lại—có thể là trong vòng vài trăm triệu năm đầu tiên . Điều này cung cấp một chiếc đồng hồ mới để hiểu về sự tiến hóa của các hành tinh băng khổng lồ.
• Thành phần độc đáo trong hệ Mặt Trời bên ngoài. Dấu hiệu phyllosilicat quan sát được trên các mặt trăng và vành đai này không giống bất kỳ thiên thể nào đã biết khác trong hệ Mặt Trời bên ngoài, làm nổi bật hóa học phi thường từ sự xuất hiện thảm khốc của Triton .

Tóm lại, khám phá của JWST về các khoáng sét trên các mặt trăng này và sự vắng mặt đáng chú ý của băng bề mặt cung cấp bằng chứng hóa học trực tiếp rằng các mặt trăng bên trong của Sao Hải Vương là những mảnh vụn tái kết tụ của các thế giới đại dương cổ đại lớn hơn nhiều—đã bị tiêu diệt khi thiên thể lang thang Triton từ Vành đai Kuiper bị bắt giữ vào quỹ đạo nghịch hành của nó hàng tỷ năm trước .