27 thiên thể nhỏ ngoài Hải Vương tinh hé lộ ký ức cổ xưa của Hệ Mặt Trời

Hai kính viễn vọng không gian James Webb và Hubble vừa mở rộng đáng kể tầm nhìn về vùng rìa Hệ Mặt Trời: chúng phát hiện 27 vật thể xuyên Hải Vương tinh (TNO) chưa từng được biết đến trong Vành đai Kuiper — khu vực gồm các thiên thể băng giá nằm bên ngoài quỹ đạo Hải Vương tinh. Một số thuộc nhóm nhỏ và mờ nhất từng được phát hiện trực tiếp. 15

Điều đáng chú ý không chỉ là số lượng phát hiện mới. Khảo sát cho thấy những vật thể rất nhỏ này ít hơn dự kiến, nhưng màu sắc bề mặt của chúng vẫn giữ mối liên hệ với nơi chúng được hình thành từ thuở đầu Hệ Mặt Trời. 1

Webb và Hubble đã phối hợp ra sao?

Webb quan sát sâu ở vùng hồng ngoại, trong đó có máy ảnh cận hồng ngoại NIRCam, để tìm các điểm sáng cực mờ. Hubble bổ sung dữ liệu ánh sáng khả kiến, giúp các nhà khoa học xác định màu sắc và đặc điểm quỹ đạo của các vật thể. Hai nhóm nghiên cứu đã công bố các phân tích bổ sung cho nhau trên The Astronomical Journal. 135

Các TNO này quá xa và quá nhỏ để hai kính có thể chụp được đĩa bề mặt rõ nét; chúng hiện lên như các điểm sáng. Vì vậy, kích thước được suy ra từ độ sáng đo được và các giả định về suất phản chiếu, hay albedo. Kết quả mạnh nhất của nghiên cứu là bức tranh về xu hướng của cả quần thể, chứ chưa phải số đo vật lý chính xác cho từng thiên thể. 1

Thiếu hụt các vật thể nhỏ nhất

Khảo sát vươn đến vùng độ sáng của TNO mà các cuộc tìm kiếm trực tiếp trước đây chưa chạm tới. Phân bố độ sáng cho thấy số thiên thể nhỏ thấp hơn mức có thể dự đoán đơn giản bằng cách kéo dài xu hướng từ các TNO lớn hơn. 13

Kết quả này đặt ra thách thức cho các mô hình về sự ra đời và tiến hóa của các hành tinh nhỏ — những khối vật chất rắn ban đầu có thể góp phần tạo nên hành tinh ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời. Hiện chưa thể khẳng định nguyên nhân của sự thiếu hụt, nhưng có hai khả năng chính:

1. Sự khan hiếm nguyên thủy: Quá trình tạo hành tinh nhỏ ngay từ đầu đã sản sinh ít vật thể rất nhỏ hơn nhiều mô hình dự báo.
2. Sự suy giảm về sau: Ban đầu các vật thể nhỏ có thể dồi dào hơn, nhưng về sau bị phá vỡ hoặc loại bỏ ưu tiên qua va chạm và biến động quỹ đạo. 1

Màu sắc là manh mối then chốt

Màu đo từ ánh sáng khả kiến và hồng ngoại có thể xem là dấu vân tay khái quát của tính chất bề mặt. Các TNO mới tiếp tục thể hiện quy luật đã thấy ở các vật thể lớn hơn: những vật thể thuộc quần thể động lực học “lạnh” có kiểu màu khác với quần thể “nóng”. 1

Ở đây, “lạnh” và “nóng” không nói về nhiệt độ. “Lạnh” chỉ các quỹ đạo ít bị khuấy động hơn, chẳng hạn có độ nghiêng thấp; còn “nóng” là các quỹ đạo bị kích động mạnh hơn, thường gắn với những vật thể từng bị dịch chuyển hoặc xáo trộn trong giai đoạn tiến hóa sớm của Hệ Mặt Trời.

Điểm quan trọng là sự phân biệt màu sắc theo quần thể vẫn tồn tại ở cả những thiên thể cực nhỏ. Điều đó cho thấy bề mặt của chúng dường như chưa bị va chạm, xói mòn hay các quá trình lâu dài khác làm thay mới hoàn toàn trong lịch sử Hệ Mặt Trời. 12

Bài toán khó cho các mô hình Vành đai Kuiper

Hai dấu hiệu — thiếu vật thể nhỏ và vẫn giữ màu sắc nguồn gốc — phải được giải thích đồng thời.

Nếu sự thiếu hụt có từ ban đầu, các mô hình hình thành phải lý giải được vì sao ít hành tinh nhỏ kích thước rất bé được tạo ra, trong khi các quần thể quỹ đạo lạnh và nóng vẫn có những lịch sử thành phần bề mặt riêng biệt.

Nếu va chạm về sau đã làm giảm số lượng thiên thể nhỏ, các quá trình ấy phải diễn ra theo cách làm hao hụt số lượng mà không xóa đi khác biệt màu sắc, vốn là dấu hiệu của những môi trường khai sinh khác nhau. Chính sức căng giữa hai bằng chứng này khiến phát hiện mới trở thành phép thử chặt chẽ hơn cho cả mô hình hình thành lẫn mô hình tiến hóa va chạm của Vành đai Kuiper. 1

Khảo sát sâu, nhưng chưa phải cuộc tổng điều tra

Hai hướng phân tích bổ sung được dẫn dắt bởi các nghiên cứu sinh tiến sĩ Anastasia N. Morgan và Marielle R. Eduardo. Một hướng tập trung vào hàm độ sáng, tức phân bố số lượng TNO cực mờ; hướng còn lại xem xét màu sắc, thành phần và ý nghĩa của các quần thể động lực học. 357

Các nhà nghiên cứu mô tả đây là khảo sát TNO sâu nhất đến nay, đưa quan sát trực tiếp vào dải kích thước trước kia chủ yếu chỉ được suy luận từ các vật thể sáng hơn. 1

Tuy nhiên, 27 phát hiện trong một vùng trời quan sát giới hạn chưa phải là bản kiểm kê đầy đủ Vành đai Kuiper. Nghiên cứu chưa thể chốt kích thước, albedo, thành phần chi tiết của từng vật thể, cũng như nguyên nhân cuối cùng gây ra sự thiếu hụt các thiên thể nhỏ. Giá trị lớn nhất hiện nay là bằng chứng ở cấp độ quần thể — và một ràng buộc mới, sắc nét hơn cho các mô hình về Hệ Mặt Trời sơ khai. 114

Tóm lại, 27 thế giới băng giá bé nhỏ này vừa ít hơn kỳ vọng, vừa như còn lưu giữ ký ức về nơi chúng ra đời: số lượng của chúng thách thức các dự đoán cũ, còn màu sắc lại bảo tồn dấu vết của quá khứ rất xa xôi.