Vì sao những thiên thể nhỏ ngoài sao Hải Vương vẫn giữ màu sắc cổ xưa?

Một thiên thể trong nhóm mới được quan sát chỉ rộng khoảng 5 km và mờ đến mức NASA ví việc phát hiện nó như nhìn thấy một đàn đom đóm nhỏ trên Mặt Trăng từ Trái Đất. Bằng cách phối hợp kính Hubble và kính James Webb, các nhà thiên văn đã phát hiện 27 thiên thể ngoài sao Hải Vương rất mờ, đồng thời đo màu sắc, kích thước và xác định quỹ đạo của chúng. Điều gây chú ý không chỉ là khả năng nhìn thấy những vật thể nhỏ như vậy: màu bề mặt của chúng vẫn tuân theo các mối liên hệ từng thấy ở những thành viên lớn hơn cùng quần thể, dù trước đó chúng được cho là đã chịu nhiều va chạm hơn. [1]

Những vật thể nhỏ bé này là gì?

Thiên thể ngoài sao Hải Vương, thường được gọi là TNO, là những vật thể nhỏ, mờ và nhiều băng chuyển động quanh Mặt Trời ở phía ngoài quỹ đạo sao Hải Vương. Phần lớn mờ hơn vật thể mắt thường nhìn thấy trên 100 triệu lần. Vì ở xa, ít sáng và có kích thước nhỏ, chúng rất khó được phát hiện trực tiếp; ngay cả việc xác định một chấm sáng có thực sự chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt Trời hay không cũng cần những quan sát đủ nhạy và phối hợp chặt chẽ. [1]

Giá trị của TNO nằm ở chỗ vùng ngoài sao Hải Vương không hoàn tất quá trình tạo hành tinh như khu vực bên trong. Thuở đầu, bụi và những hạt vật chất trong đĩa quanh Mặt Trời kết tụ thành các hành tinh vi thể, tức những khối rắn đóng vai trò vật liệu xây dựng hành tinh. Nhiều khối ở xa không tiếp tục hợp nhất thành thế giới lớn, nên quần thể còn lại có thể lưu giữ dấu vết của giai đoạn sơ khai ấy. Chúng không phải những “bản ghi” hoàn hảo, nhưng thành phần bề mặt, kích thước và quỹ đạo vẫn cung cấp các đầu mối có thể đối chiếu. [1]

Hubble và Webb chia nhau công việc ra sao?

Hai kính không đơn thuần cùng nhìn một mục tiêu theo cách giống nhau. Hubble ghi nhận ánh sáng khả kiến, còn Webb quan sát ánh sáng hồng ngoại trong cùng một vùng trời. Khi ghép các phép đo ở những dải bước sóng khác nhau, nhóm nghiên cứu có thêm cơ sở để nhận ra vật thể rất mờ và so sánh cách bề mặt của chúng biểu hiện qua màu sắc. Các quan sát cũng giúp ước lượng kích thước và xác định đường đi của từng vật thể. [1]

Có thể hình dung mỗi bộ lọc như một ô cửa chỉ cho một phần ánh sáng đi qua. Một vật thể tương đối sáng ở ô cửa này nhưng yếu hơn ở ô cửa khác sẽ tạo ra một mẫu màu riêng. Mẫu ấy được xem như dấu vân tay của thành phần bề mặt: nó giúp phân nhóm và so sánh vật thể, chứ không tự động cho biết đầy đủ từng chất có mặt. Trong trường hợp này, lợi thế quyết định đến từ việc Hubble và Webb bổ sung hai miền ánh sáng cho nhau. [1]

“Lạnh” và “nóng” có phải là nhiệt độ?

Hai tên gọi này mô tả trạng thái động lực học, không trực tiếp nói vật thể ấm hay lạnh đến đâu. Quần thể “lạnh” chuyển động trên những quỹ đạo nguyên thủy tương đối tròn và gần mặt phẳng Hệ Mặt Trời. Quần thể “nóng” có quỹ đạo elip kéo dài hơn, đồng thời đi lên và xuống khỏi mặt phẳng ấy. Vì vậy, một vật thể được xếp loại bằng hình dạng và độ nghiêng quỹ đạo, không phải bằng nhiệt kế. [1]

Cách giải thích được nêu cho quần thể nóng là chúng hình thành trong vùng nằm giữa vị trí hiện nay của sao Thiên Vương và sao Hải Vương. Khi các hành tinh khí khổng lồ phía ngoài dịch chuyển trong lịch sử sớm của Hệ Mặt Trời, những vật thể này bị đẩy ra xa và quỹ đạo bị xáo trộn. Ngược lại, quần thể lạnh vẫn gần với quỹ đạo ban đầu hơn. Hai nhóm vì thế cho phép so sánh vật liệu sinh ra trong những khu vực và điều kiện động lực học khác nhau. [1]

Vì sao màu của vật thể nhỏ gây bất ngờ?

Trước các quan sát này, các nhà thiên văn dự đoán những TNO nhỏ trong cả hai quần thể đã trải qua nhiều va chạm. Nếu một vật thể liên tục bị đập vỡ, lớp bề mặt của các mảnh nhỏ có thể khác với bề mặt của những thành viên lớn hơn. Khi ấy, quan hệ màu sắc giữa vật thể nhỏ và lớn cũng có thể thay đổi. Nhưng 27 vật thể mới không cho thấy sự tách biệt như dự đoán: chúng vẫn giống các thành viên lớn cùng họ về những mối liên hệ màu đã đo được. [1]

Kết quả quan sát có ít nhất hai cách diễn giải đang được cân nhắc. Số vụ va chạm thực tế có thể thấp hơn dự kiến, nên bề mặt không bị biến đổi mạnh. Khả năng khác là va chạm đã xảy ra nhưng các vật thể vẫn giữ được thành phần có từ trước khi va chạm, chẳng hạn vì phần vật liệu lộ ra không khác nhiều so với lớp bên ngoài. Dữ liệu màu hiện chưa phân xử được hai khả năng này. Điều có thể nói chắc hơn là sự xáo trộn quỹ đạo của nhóm nóng không xóa mất dấu hiệu màu gắn với nơi chúng hình thành. [1]

Sự thiếu hụt vật thể nhỏ nói lên điều gì?

Webb còn giúp nhóm nghiên cứu đếm số vật thể ở từng cỡ. Phân bố kích thước tổng thể của quần thể nóng và lạnh giống nhau một cách đáng ngạc nhiên, dù hai nhóm được cho là hình thành ở những vùng khác nhau của đĩa vật chất ban đầu. Một diễn giải được đặt ra là quá trình tạo hành tinh vi thể có thể sinh ra dải kích thước tương tự trong các điều kiện khác nhau, nhưng đây là kết luận về xu hướng của mẫu quan sát chứ chưa phải quy tắc áp dụng cho mọi vùng của Hệ Mặt Trời. [1]

Đồng thời, số TNO rất nhỏ được tìm thấy lại ít hơn mức một số mô hình hình thành hành tinh dự đoán. Chi tiết này liên quan trực tiếp đến câu hỏi va chạm: nếu các vật thể lớn từng bị nghiền vỡ thường xuyên, người ta có thể chờ đợi nhiều mảnh nhỏ hơn. Việc vừa thấy ít vật thể nhỏ, vừa thấy màu của chúng giống những thành viên lớn, khiến kịch bản va chạm đơn giản trở nên khó phù hợp hơn. Tuy nhiên, quan sát 27 vật thể chưa tự nó xác định được số va chạm thực sự hay cơ chế bảo toàn bề mặt. [1]

Dấu vết quá khứ được lưu giữ đến mức nào?

Các TNO nhỏ đáng chú ý vì ba loại dấu vết cùng xuất hiện: quỹ đạo phản ánh quá trình dịch chuyển và xáo trộn, màu cung cấp manh mối về thành phần bề mặt, còn phân bố kích thước liên quan đến cách vật chất ban đầu kết tụ hoặc vỡ ra. Khi hai quần thể có lịch sử động lực học khác nhau vẫn duy trì quan hệ màu và phân bố kích thước tương tự, chúng gợi ý rằng một phần đặc điểm hình thành ban đầu bền hơn dự kiến. [1]

“Ghi nhớ” ở đây là cách nói hình tượng, không có nghĩa mỗi vật thể lưu lại một niên biểu đầy đủ. Một màu đo được có thể phù hợp với nhiều diễn giải, còn sự thiếu hụt vật thể nhỏ có thể liên quan đến cả quá trình hình thành lẫn lịch sử va chạm. Ý nghĩa lớn nhất của phát hiện nằm ở việc mở rộng phép so sánh xuống những kích thước trước đây kính thiên văn mặt đất khó tiếp cận. Những chấm sáng cực mờ ngoài sao Hải Vương vì thế trở thành phép thử trực tiếp cho các mô hình về bước đầu tiên tạo nên hành tinh. [1]