韦伯在柯伊伯带观测到3颗矮行星

在这幅艺术家的视觉图中，新发现的类似行星的天体被命名为"塞德娜"，它位于已知太阳系的外围。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

柯伊伯带是太阳系边缘的广阔区域，有无数冰冷的天体，是科学发现的宝库。柯伊伯带天体（KBOs）有时也被称为外海王星天体（TNOs），对这些天体的探测和定性使人们对太阳系的历史有了新的认识。柯伊伯带天体的布局是重力流的指标，重力流塑造了太阳系，揭示了行星迁徙的动态历史。自20世纪末以来，科学家们一直渴望近距离观察KBO，以进一步了解它们的轨道和组成。

詹姆斯-韦伯太空望远镜的观测结果

研究太阳系外的天体是詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的众多目标之一。利用韦伯望远镜的近红外分光计（NIRSpec）获得的数据，一个国际天文学家小组观测了柯伊伯带的三颗矮行星：塞德娜（Sedna）、共工（Gonggong）和奎奥尔（Quaoar）。这些观测结果揭示了它们各自轨道和组成方面的一些有趣现象，包括轻烃和复杂的有机分子，据信它们是甲烷辐照的产物。

这项研究由北亚利桑那大学天文学和行星科学教授约书亚-埃默里（Joshua Emery）领导。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（GSFC）、巴黎萨克雷大学天体物理空间研究所（Institut d'Astrophysique Spatiale）、平头研究所（Pinhead Institute）、佛罗里达太空研究所（佛罗里达中央大学）、洛厄尔天文台（Lowell Observatory）、西南研究所（SwRI）、太空望远镜科学研究所（STScI）、美利坚大学（American University）和康奈尔大学（Cornell University）的研究人员也参与了这项研究。他们的论文预印本已在网上发表，并正在接受伊卡洛斯的审稿。

自上次飞越柯伊伯带天体Arrokoth以来，新视野号任务一直在探索柯伊伯带的天体，并进行日光层和天体物理观测。资料来源：NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

柯伊伯带探索史

尽管天文学和机器人探测器取得了长足的进步，但我们对外海王星区和柯伊伯带的了解仍然有限。迄今为止，研究天王星、海王星及其主要卫星的唯一任务是旅行者 2 号任务，它分别于 1986 年和 1989 年飞越了这些冰巨行星。此外，"新视野"号是第一个研究冥王星及其卫星的航天器（2015 年 7 月），也是唯一一个在柯伊伯带遇到天体的航天器，它在 2019 年 1 月 1 日飞过名为"阿罗科斯"的柯伊伯天体。

天文学家对 JWST 的期待

这是天文学家热切期待 JWST 发射的众多原因之一。除了研究系外行星和宇宙中最早的星系之外，它强大的红外成像能力也被转向了我们的后院，揭示了火星、木星及其最大卫星的新图像。在研究中，埃默里和他的同事参考了韦伯获得的柯伊伯带三颗行星--塞德娜（Sedna）、共工（Gonggong）和奎奥尔（Quaoar）--的近红外数据。这些天体的直径约为 1,000 公里（620 英里），属于国际天文学联合会（IAU）的矮行星范畴。

关于矮行星的见解

天文学家对这些天体特别感兴趣，因为它们的大小、轨道和成分。其他的跨海王星天体，如冥王星、阋神星、妊神星等，其表面都保留了挥发性的冰（氮、甲烷等）。唯一的例外是妊神星，它在一次巨大的撞击中失去了挥发性物质（显然）。天文学家因此希望观察塞德娜、共工和奎奥尔表面是否也有类似的挥发物：

"以前的工作表明它们可能会有。虽然它们的大小大致相同，但轨道却截然不同。塞德娜是奥尔特云的内层天体，近日点为76天文单位，远日点接近1000天文单位；共工的轨道也非常椭圆，近日点为33天文单位，远日点约为100天文单位；奎奥尔的轨道相对较圆，接近43天文单位。这些轨道将天体置于不同的温度机制和不同的辐照环境中（例如，塞德娜大部分时间都在太阳的日光层之外）。我们想研究这些不同的轨道会如何影响天体表面。表面上还有其他有趣的冰和复杂的有机物"。

PRISM对塞德娜、共工和奎奥尔的两次光栅观测中的一次观测图像。资料来源：Emery, J.P. et al. (2023)

利用韦伯近红外望远镜（NIRSpec）的数据，研究小组以低分辨率棱镜模式观测了这三个天体，波长范围从0.7微米到5.2微米--将它们全部置于近红外光谱中。此外，他们还使用中分辨率光栅对波长为0.97至3.16微米的Quaoar进行了额外的观测，光谱分辨率是原来的十倍。埃默里说，由此产生的光谱揭示了这些尘埃粒子和表面成分的一些有趣之处：

"我们在这三个天体上都发现了丰富的乙烷（C2H6），其中塞德娜天体最为突出。塞德娜还显示出乙炔（C2H2）和乙烯（C2H4）。丰度与轨道相关（塞德娜上最多，共工上较少，奎奥尔上最少），这与相对温度和辐照环境一致。这些分子是甲烷（CH4）的直接辐照产物。如果乙烷（或其他物质）在表面上存在了很长时间，它们就会在辐照下转化成更加复杂的分子。既然我们还能看到它们，我们就怀疑甲烷（CH4）一定会定期补充到表面上"。

这些发现与洛厄尔天文台的天文学家、美国国家航空航天局"新视野"号任务的联合研究员威尔-格兰迪博士（Dr. Will Grundy）和瑞士科学研究院的行星科学家兼地球化学家克里斯-格莱因（Chris Glein）最近领导的两项研究中的发现一致。在这两项研究中，格兰迪、格里恩和他们的同事测量了阋神星和马克马克星上甲烷中的氘/氢（D/H）比率，得出的结论是甲烷并非原始甲烷。相反，他们认为这些比率是甲烷在其内部经过处理后被输送到表面的结果。

埃默里说："我们认为塞德娜、共工和奎奥尔可能也是如此。我们还发现，塞德娜、共工和奎奥尔的光谱与较小的KBO的光谱截然不同。在最近的两次会议上，JWST的数据显示较小的KBO分为三组，其中没有一组看起来像这三者，这一结果与我们的三个较大天体具有不同的地热历史是一致的。"

八个最大的近地天体与地球的比较（均按比例）。图片来源：NASA/Lexicon

研究结果的影响

这些发现可能对研究KBOs、TNOs和太阳系外的其他天体产生重大影响。这包括对行星系统中霜冻线以外天体的形成有了新的认识，霜冻线是指挥发性化合物冻结成固体的界限。在我们的太阳系中，外海王星区域与氮线相对应，在那里天体将保留大量冰点极低的挥发性物质（即氮、甲烷和氨）。埃默里说，这些发现还证明了这一区域的天体正在经历哪种类型的进化过程：

"主要影响可能是找到KBOs的大小，在这个大小上，KBOs已经变得足够温暖，可以进行原始冰的内部再加工，甚至分化。我们还可以利用这些光谱来更好地了解太阳系外表面冰层的辐照处理过程。未来的研究还将能够更详细地观察这些天体在其轨道任何部分的挥发性稳定性和大气层的可能性"。

这项研究的结果也展示了 JWST 的能力，自去年年初投入运行以来，它已经多次证明了自己的价值。它们还提醒我们，除了能够对遥远的行星、星系和宇宙的大尺度结构有新的认识和突破之外，韦伯还能揭示宇宙中我们这个小角落的一些事情。

埃默里补充说："JWST的数据太棒了。"它们使我们能够获得比地面波长更长的光谱，从而能够探测到这些冰。通常，在新的波长范围内进行观测时，初始数据的质量可能很差。JWST 不仅开辟了一个新的波长范围，还提供了对太阳系外表面一系列物质非常敏感的高质量数据。"

改编自最初发表在《今日宇宙》上的一篇文章。