Hàng ngàn thiên thể băng giá được gọi là thiên thể xuyên quỹ đạo sao Neptune, hay TNO, tồn tại trong Vành đai Kuiper ở rìa hệ mặt trời của chúng ta, là tàn dư từ quá trình hình thành của nó cách đây 4,5 tỷ năm.
Hành tinh lùn Pluto là thiên thể xuyên quỹ đạo Neptune lớn nhất trong số này, được đặt tên như vậy vì chúng nằm ngoài quỹ đạo của sao Neptune.
Nhiệt độ cực thấp và trọng lực bề mặt yếu của các thiên thể nhỏ từ lâu đã khiến các nhà thiên văn học tin rằng chúng không có khả năng giữ lại bầu khí quyển — ngoại trừ Sao Pluto, vốn có một lớp khí quyển mỏng. Bầu khí quyển, đặc biệt là bầu khí quyển dày đặc, thường hình thành xung quanh các hành tinh hoặc vệ tinh lớn, bao gồm cả vệ tinh lớn nhất của Sao Saturn, Titan.
Trong khi đó, các hành tinh lùn Eris, Haumea, Makemake và hành tinh lùn tiềm năng Quaoar, những thiên thể xuyên quỹ đạo sao Neptune lớn nhất sau Sao Pluto, dường như không có bầu khí quyển.
Trong một cơ hội quan sát hiếm hoi, các nhà thiên văn học ở Nhật Bản đã phát hiện ra lớp vỏ khí quyển mỏng bao quanh một vật thể xuyên quỹ đạo sao Neptune (TNO) có tên là (612533) 2002 XV 93 , theo một nghiên cứu được công bố hôm thứ Hai trên tạp chí Nature Astronomy .
Trong khi Sao Pluto có đường kính 2.377 km, thì 2002 XV 93 chỉ có đường kính khoảng 500 km.
Phát hiện bất ngờ này — do Tiến sĩ Ko Arimatsu, phó giáo sư kiêm giảng viên cao cấp tại Đài quan sát Thiên văn Quốc gia Nhật Bản, và các đồng nghiệp thực hiện — có thể mang đến cái nhìn sâu sắc chưa từng có về cách bầu khí quyển hình thành và duy trì xung quanh một vật thể nhỏ, và thay đổi cách các nhà thiên văn học suy nghĩ về các vật thể trong Vành đai Kuiper.
Nắm bắt cơ hội quan sát
Khoảng tháng 1 năm 2024, Arimatsu và các đồng nghiệp đã chuẩn bị cho cơ hội độc đáo để quan sát một vật thể xuyên quỹ đạo (TNO) khi nó đi ngang qua phía trước một ngôi sao sáng, nhìn từ Nhật Bản.
2002 XV 93 có quỹ đạo tiêu chuẩn của một vật thể trong Vành đai Kuiper và nhỏ hơn một hành tinh lùn, vì vậy nó không được coi là khác biệt so với các vật thể xuyên quỹ đạo vành đai Kuiper khác.
Nhưng những khoảnh khắc khi một vật thể xuyên quỹ đạo Nouvelle Vater được chiếu sáng bởi một ngôi sao trong nền vũ trụ, được gọi là hiện tượng che khuất sao, là những cơ hội hiếm hoi để nghiên cứu kích thước, hình dạng và đặc điểm của một vật thể nhỏ, ở xa, Arimatsu cho biết. Các nhà nghiên cứu đã thiết lập quan sát tại ba địa điểm khác nhau trên khắp Nhật Bản, sử dụng các đài quan sát ở Kyoto và tỉnh Nagano, cũng như một kính viễn vọng do các nhà khoa học công dân vận hành ở Fukushima.
Ánh sáng của ngôi sao mờ dần khi vật thể xuyên quỹ đạo (TNO) di chuyển phía trước nó, cho thấy sự hiện diện của bầu khí quyển. Nếu một vật thể không có bầu khí quyển, ngôi sao sẽ biến mất và xuất hiện trở lại một cách đột ngột hơn nhiều.
“Dữ liệu quan sát cho thấy độ sáng của ngôi sao thay đổi đều đặn gần rìa vùng bóng tối, kéo dài khoảng 1,5 giây,” Arimatsu viết trong email. “Kiểu thay đổi độ sáng đều đặn này có thể được giải thích một cách tự nhiên nếu ánh sáng sao bị bẻ cong bởi một bầu khí quyển rất mỏng bao quanh vật thể.”
Các nhà nghiên cứu đã tính toán rằng bầu khí quyển của 2002 XV 93 mỏng hơn Trái Đất khoảng 5 triệu đến 10 triệu lần — và đưa ra hai giả thuyết về nguyên nhân tạo ra nó.
Bầu khí quyển có thể là sản phẩm của các núi lửa băng trên thiên thể nhỏ bé, phủ đầy băng này, giải phóng khí bên trong như metan, nitơ hoặc carbon monoxide từ bên dưới bề mặt của nó. Hoặc, một vật thể khác trong Vành đai Kuiper, chẳng hạn như sao chổi, có thể đã va chạm với 2002 XV 93 , cũng giải phóng khí từ bên dưới bề mặt.
Ông Arimatsu cho biết, nếu bầu khí quyển được tạo ra do va chạm thiên thạch, nó có thể chỉ tồn tại trong vài trăm năm. Nhưng nếu hoạt động núi lửa băng thường xuyên bổ sung bầu khí quyển bằng cách giải phóng khí, nó có thể tồn tại lâu hơn nhiều.
Tìm hiểu về 2002 XV93
Trong tương lai về 2002 XV 93 , thông qua nhiều cơ hội quan sát hiện tượng che khuất sao hơn hoặc bằng cách sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb mạnh mẽ, sẽ giúp các nhà thiên văn học mô tả rõ hơn bản chất của khí quyển và xác định nguồn gốc của nó, cũng như cách khí quyển tiến hóa theo thời gian.
“Nếu các quan sát che khuất trong tương lai cho thấy áp suất giảm dần, điều đó sẽ cho thấy nguồn gốc va chạm trong thời gian ngắn,” Arimatsu nói.
Kính viễn vọng Webb cũng có thể phát hiện khí metan hoặc carbon monoxide phát ra từ vật thể và xác định thành phần khí quyển của nó.
Nhóm của Arimatsu đang tiếp tục tìm kiếm bầu khí quyển xung quanh các vật thể xuyên sao khác bằng cách dựa vào quan sát che khuất sao. Những phát hiện của họ có thể giúp xác định xem 2002 XV 93 có phải là một ngoại lệ hiếm hoi hay không, hoặc liệu các vật thể nhỏ tương tự khác cũng có bầu khí quyển hay không.
“Đây là một khám phá thú vị,” Tiến sĩ Scott S. Sheppard, nhà khoa học tại Viện Khoa học Carnegie ở Washington, DC, cho biết. “Trước đây người ta cho rằng các vật thể như 2002 XV93 quá nhỏ để có bầu khí quyển, nhưng kết quả này cho thấy điều đó không đúng.”
Sheppard không tham gia vào nghiên cứu này, nhưng ông đã nghiên cứu và phát hiện ra các vật thể xuyên Nouvelle Na Uy (TNO).
Phát hiện này cũng làm nổi bật việc phát hiện hoạt động gần đây trên 2002 XV 93 , Sheppard lưu ý, cho dù đó là sự phun trào của khí đóng băng hay hậu quả của việc vật chất từ từ rơi trở lại bề mặt của vật thể.
“Điều này cho thấy Vành đai Kuiper không phải là một nơi lạnh lẽo và chết chóc,” Sheppard viết trong một email, “mà ngược lại, nó tràn đầy hoạt động và có nhiều yếu tố cấu thành sự sống.”
