Những thiên thể tí hon ở vành đai Kuiper có thể vẫn “nhớ” nguồn gốc của mình

Những vật thể nhỏ nhất từng được quan sát trực tiếp ở phía ngoài quỹ đạo Sao Hải Vương đang làm lung lay một giả định lâu nay về vành đai Kuiper: các va chạm kéo dài lẽ ra phải nghiền nhiều thiên thể thành vô số mảnh nhỏ, đồng thời liên tục làm mới bề mặt của chúng.

Khảo sát phối hợp giữa Kính viễn vọng Không gian James Webb và Hubble lại cho kết quả khác. Nhóm nghiên cứu tìm thấy ít thiên thể ngoài Sao Hải Vương — hay TNO, viết tắt của trans-Neptunian object — cực mờ hơn dự đoán. Màu sắc của chúng cũng giống các vật thể lớn hơn trong cùng nhóm quỹ đạo. Hai dấu hiệu này gợi ý rằng các thiên thể nhỏ có thể vẫn lưu giữ thông tin từ thời các hành tinh nhỏ hình thành trong đĩa vật chất nguyên thủy ở rìa Hệ Mặt Trời. 112

Webb thấy 27 vật thể mới trong một mảng trời rất nhỏ

Máy ảnh cận hồng ngoại NIRCam của Webb đã phát hiện 27 TNO chưa từng biết đến trong khu vực chỉ khoảng 0,05 độ vuông. Các vật thể này được báo cáo có đường kính dưới khoảng 40 km; một vật thể ước tính chỉ rộng khoảng 10 km. Hubble sau đó thu hồi được 13 trong số các phát hiện của Webb ở bước sóng ánh sáng nhìn thấy, giúp nối dữ liệu từ vùng khả kiến sang cận hồng ngoại. 112

Mẫu Webb cho độ dốc ở đầu mờ của hàm độ sáng khoảng 0,29. Hiểu đơn giản, số TNO có tăng lên khi vật thể mờ hơn — thường cũng nhỏ hơn — nhưng mức tăng chậm hơn dự báo khi kéo dài xu hướng từ các vật thể lớn. Vì vậy, khảo sát ghi nhận số thiên thể nhỏ ít hơn so với kỳ vọng của một số kịch bản hình thành hành tinh và tiến hóa vành đai Kuiper. 12

Vì sao sự thiếu vắng các vật thể nhỏ lại đáng chú ý?

Nếu từng có một chuỗi va chạm hoạt động mạnh và kéo dài, quá trình này sẽ tạo ra rất nhiều mảnh vỡ nhỏ. Phân bố tăng nông ở đầu mờ chưa thể tự nó xác định một cơ chế duy nhất, nhưng nó làm suy yếu cách giải thích đơn giản rằng phần lớn TNO nhỏ quan sát được chỉ là tàn dư bị nghiền vụn từ các vật thể lớn hơn. 12

Các khả năng được đặt ra gồm:

• Sự bào mòn do va chạm có thể kém hiệu quả hơn, hoặc diễn ra trong thời gian ngắn hơn, so với giả định của một số mô hình.
• Những TNO nhỏ nhất mà khảo sát tiếp cận được có thể không chủ yếu là mảnh vỡ va chạm.
• Số lượng của chúng có thể còn mang dấu ấn của quá trình ban đầu tập hợp vật chất rắn thành các hành tinh nhỏ trong Hệ Mặt Trời sơ khai. 12

Điều này chuyển trọng tâm từ các vụ va chạm xảy ra về sau sang điều kiện ban đầu của quá trình hình thành hành tinh nhỏ. Một mô hình thành công giờ đây không chỉ cần giải thích quỹ đạo của các thiên thể vùng ngoài Hệ Mặt Trời, mà còn phải lý giải vì sao trong mẫu khảo sát sâu này lại thiếu các vật thể nhỏ nhất.

Hai nhóm quỹ đạo khác nhau nhưng phân bố kích thước lại tương tự

TNO thường được phân thành các nhóm theo đặc điểm quỹ đạo. Nhóm “lạnh” về động lực học thường có quỹ đạo khá ổn định, gần tròn và độ nghiêng thấp. Nhóm “nóng” có quỹ đạo bị kích thích mạnh hơn hoặc từng bị tán xạ, gắn với lịch sử biến đổi động lực học về sau của Hệ Mặt Trời.

Dù có lịch sử khác nhau, hai nhóm này lại cho thấy phân bố kích thước của các vật thể nhỏ tương tự nhau. Đây không phải kết quả hiển nhiên nếu chúng hình thành trong những môi trường rất khác biệt, rồi trải qua mức độ xử lý va chạm hoàn toàn khác nhau. Một cách diễn giải là quá trình hình thành hành tinh nhỏ đã tạo ra phổ kích thước nhỏ tương đối giống nhau tại nhiều vùng khác nhau của đĩa vật chất nguyên thủy. 112

Màu sắc cho thấy bề mặt có thể chưa bị “làm mới” triệt để

Việc Hubble thu hồi 13 vật thể cho phép nhóm nghiên cứu so sánh màu sắc từ ánh sáng nhìn thấy đến cận hồng ngoại. Thay vì thể hiện tập màu bị xáo trộn mạnh hoặc biến đổi có hệ thống, các TNO nhỏ lại tuân theo những quan hệ màu phụ thuộc quần thể vốn đã thấy ở các vật thể lớn hơn. 113

Kết quả phù hợp với hai khả năng, và chúng không loại trừ nhau: các va chạm đủ sức tái tạo bề mặt trên quy mô toàn thiên thể có thể ít xảy ra hơn dự kiến; hoặc va chạm không xóa các vật chất tạo nên dấu hiệu màu sắc hiệu quả như mô hình từng dự đoán. 113

Hàm ý này đặc biệt quan trọng với các vật thể đã bị tán xạ về mặt động lực học. Tương tác hấp dẫn có thể thay đổi đáng kể quỹ đạo của một thiên thể, nhưng các quan hệ màu được quan sát cho thấy việc dịch chuyển quỹ đạo không nhất thiết xóa đi hồ sơ thành phần bề mặt. Vì thế, cả TNO ổn định lẫn TNO có quỹ đạo bị kích thích có thể vẫn giữ manh mối về những môi trường nơi chúng ra đời ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời. 113

Vai trò của hai nghiên cứu sinh tiến sĩ

Hai nghiên cứu liên kết được dẫn dắt bởi hai nghiên cứu sinh tiến sĩ. Anastasia N. Morgan, thuộc Đại học Northern Arizona, dẫn dắt công trình kết hợp ảnh Webb và Hubble để mô tả màu sắc và bề mặt của các TNO nhỏ từ vùng khả kiến đến cận hồng ngoại. Marielle R. Eduardo, thuộc Đại học Victoria, dẫn dắt phân tích hàm độ sáng — tức phân bố số lượng theo độ sáng — qua đó đo được độ dốc nông ở đầu mờ. 1213

Sự kết hợp này cho thấy lợi thế bổ sung của hai kính: Webb đẩy khả năng tìm kiếm đến các nguồn hồng ngoại cực mờ, còn Hubble cung cấp phép đo ở ánh sáng nhìn thấy cho một phần của chính quần thể đó. 112

Những điều khảo sát chưa thể kết luận

Đây là khảo sát sâu kỷ lục, nhưng không phải một cuộc kiểm kê đầy đủ Hệ Mặt Trời bên ngoài. Kết luận hiện bị giới hạn bởi mẫu 27 vật thể Webb, 13 lần thu hồi ở ánh sáng nhìn thấy và vùng trời chỉ khoảng 0,05 độ vuông. Hiệu ứng chọn lọc trong phát hiện và thu hồi, quãng theo dõi quỹ đạo còn ngắn, cùng độ bất định khi suy ra đường kính từ độ sáng dựa trên giả định về suất phản chiếu, đều giới hạn mức độ khái quát hóa kết quả. 112

Do đó, nghiên cứu chưa thể xác lập một phân bố kích thước mang tính quyết định cho toàn Hệ Mặt Trời, cũng chưa thể chọn ra duy nhất một cơ chế hình thành hành tinh nhỏ. Quy mô khoảng 10–40 km được báo cáo cũng chỉ là một lát cắt nhỏ trong quần thể TNO rộng lớn hơn nhiều. 112

Một hồ sơ hóa thạch mới của đĩa tiền hành tinh

Ý nghĩa lớn nhất là những vật thể trước đây chủ yếu được nghiên cứu bằng ngoại suy nay đang trở thành bằng chứng quan sát trực tiếp. Số lượng, quỹ đạo và màu sắc của chúng đồng thời đặt ra các ràng buộc cho cách đĩa tiền hành tinh vùng ngoài tạo ra các hành tinh nhỏ, cũng như mức độ mà va chạm và sự dịch chuyển của các hành tinh đã làm thay đổi chúng về sau. 112

Các khảo sát phối hợp lớn hơn sẽ kiểm tra xem phân bố vật thể nhỏ nông và các quan hệ màu được bảo tồn có lặp lại tại nhiều khu vực khác của vành đai Kuiper hay không. Nếu có, các TNO tí hon có thể là những “hóa thạch vật lý” bền bỉ hiếm có của giai đoạn đầu tiên trong lịch sử Hệ Mặt Trời. 112