Một sự khác biệt đáng ngạc nhiên về mặt hóa học giữa Sao Diêm Vương và Sedna, một hành tinh lùn khác trong Vành đai Kuiper xa xôi, đang giúp các nhà khoa học xác định được khối lượng tương ứng của chúng, một nghiên cứu mới đưa tin.
Vành đai Kuiper là một vùng trong không gian nằm ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương, nơi có Sao Diêm Vương và hầu hết các hành tinh lùn đã biết, cũng như một số sao chổi được cho là di tích của kỷ nguyên hình thành hành tinh trong hệ mặt trời.
"Các vật thể trong Vành đai Kuiper là những thế giới băng giá [có thể] cho chúng ta biết điều kiện như thế nào cách đây hàng tỷ năm", tác giả chính của nghiên cứu Amelia Bettati, một nhà nghiên cứu tại Đại học Elon ở Bắc Carolina, giải thích. "Nghiên cứu chúng giúp các nhà khoa học hiểu được cách các hành tinh hình thành và tiến hóa."
Các nghiên cứu quang phổ cận hồng ngoại gần đây do Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) thực hiện đã phát hiện ra rằng Sao Diêm Vương chứa cả mêtan và etan trên bề mặt của nó, các phân tử dễ bay hơi chính thường được tìm thấy ở bên ngoài hệ mặt trời và được cho là tàn dư từ thời điểm các hành tinh đang hình thành. Sedna, có chiều rộng nhỏ hơn một nửa Sao Diêm Vương, được phát hiện chỉ có mêtan.
Liên quan: Vành đai Kuiper là gì?
"Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng lý do cho sự khác biệt này là Sedna nhỏ hơn nhiều so với Sao Diêm Vương, vì vậy lực hấp dẫn của nó yếu hơn", Bettati nói với Space.com. "Lực hấp dẫn yếu hơn này cho phép mêtan thoát ra ngoài không gian trong hàng tỷ năm, trong khi etan, một hợp chất nặng hơn, vẫn ở lại phía sau".
Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã xác định được ranh giới chung giữa các vật thể có thể giữ các chất dễ bay hơi này và các vật thể không giữ được, nhưng sự khác biệt giữa Sao Diêm Vương và Sedna cung cấp một manh mối mới về cách các quá trình thoát cụ thể có thể định hình thành phần bề mặt của các vật thể xa xôi này. Sedna, gần với ngưỡng khối lượng mà các chất dễ bay hơi bị mất, làm nổi bật tầm quan trọng của việc hiểu cách một số hóa chất được giữ lại hoặc bị mất, đặc biệt là khi so sánh các vật thể Vành đai Kuiper khác nhau.
Bettati cho biết: "Bằng cách nghiên cứu cách mêtan và etan thoát ra khỏi Sedna, chúng tôi đã tính toán được khối lượng của Sedna phải lớn đến mức nào để giải thích thành phần bề mặt hiện tại của nó". "Để giải thích sự thiếu hụt mêtan nhưng lại có etan trên Sedna, chúng ta phải đưa ra ước tính khối lượng tối thiểu cho Sedna. Điều này rất quan trọng vì nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc và lịch sử của Sedna."
Trong nghiên cứu của mình, Bettati và đồng tác giả Jonathan Lunine, thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA và Viện Công nghệ California, đã lập mô hình mức độ mêtan và etan trên Sedna. Họ đã xác minh độ chính xác của mô hình bằng cách sử dụng hai vật thể tương tự: Sao chổi 67P/Churyumov-Gerasimenko và vệ tinh Enceladus của Sao Thổ.
Tàu thăm dò Rosetta của Châu Âu đã nghiên cứu Sao chổi 67P ở cự ly gần, và tàu vũ trụ Cassini của NASA đã thu thập được rất nhiều dữ liệu về Enceladus trong thời gian tàu thăm dò ở hệ thống Sao Thổ.
Bettati cho biết: "Cả hai vật thể đều có các phép đo được xác định rõ ràng và là các vật thể bên ngoài hệ mặt trời, điều này chứng minh được việc coi chúng là vật thể tương tự".
Để tìm ra xem có đủ mêtan và etan thoát ra khỏi các vật thể này để không còn xuất hiện trong quang phổ bề mặt của chúng hay không, các nhà khoa học cần ước tính lượng hóa chất này ban đầu bị mắc kẹt bên trong.
Họ đã thực hiện điều này trong hai kịch bản khác nhau. Một người cho rằng tỷ lệ mêtan và etan so với nước đá tương tự như tỷ lệ được đo trên Enceladus, trong khi một người khác xem xét tỷ lệ được tìm thấy trên Sao chổi 67P trong mùa đông. Những so sánh này giúp họ hiểu được lượng hợp chất này có thể đã bị mất theo thời gian.
"[Chúng tôi đã sử dụng] mô hình thoát Jeans, [là] một loại thoát nhiệt do nhiệt độ khí quyển thúc đẩy, trong đó các phân tử chuyển động nhanh nhất vượt quá vận tốc thoát, nhưng phần lớn các phân tử thì không", Bettati cho biết.
Họ cũng sử dụng một mô hình khác được gọi là thoát thủy động lực học, xảy ra khi phần lớn các phân tử có thể thoát ra, thay vì chỉ những phân tử ở đầu phân phối có vận tốc cao. Bettati cho biết "Phần lớn khí quyển đang chuyển động, thoát ra ngoài không gian".
Các mô hình chứng minh rằng mêtan vẫn ổn định trên Sao Diêm Vương nhưng thoát ra khỏi Sedna do khối lượng thấp hơn của nó. Tuy nhiên, ethane vẫn ổn định trên cả hai vật thể, ngay cả khi sử dụng hai tỷ lệ thoát khí khác nhau — 100% (chỉ ra sự giải phóng hoàn toàn các chất dễ bay hơi) và 10% (sự giải phóng nhỏ hơn).
Kết quả này phù hợp với quang phổ bề mặt quan sát được và cung cấp ước tính khối lượng chính xác hơn cho Sedna. Mô hình cũng giải thích sự vắng mặt của methane trên một vật thể khác thuộc vành đai Kuiper được gọi là Gonggong.
Bài viết liên quan: Bản đồ hệ mặt trời của chúng ta có thể cần được cập nhật — vành đai Kuiper có thể lớn hơn nhiều
Bài viết liên quan:
— Vành đai Kuiper thứ 2? Hệ mặt trời của chúng ta có thể lớn hơn nhiều so với suy nghĩ
— Vật thể vũ trụ 'Arrokoth' có thể cho chúng ta biết điều gì về sự hình thành hệ mặt trời của chúng ta
— Liệu một hành tinh 'giống Trái Đất' có thể ẩn náu ở vùng ngoài của hệ mặt trời của chúng ta không?
Bettati cho biết: "Giống như Sedna, Gonggong cũng không có khí mê-tan trên bề mặt". "Vì Gonggong có kích thước tương tự như Sedna, chúng tôi tin rằng mê-tan hẳn đã thoát ra khỏi nó theo cách tương tự. Điều này cho thấy các vật thể nhỏ hơn trong vành đai Kuiper mất mê-tan theo thời gian, trong khi các vật thể lớn hơn, chẳng hạn như Sao Diêm Vương, có thể giữ lại mê-tan.
"Nếu các nhà khoa học biết được loại khí nào có khả năng hiện diện trên các vật thể khác nhau trong vành đai Kuiper, tốc độ mất của chúng và thành phần trong quá khứ của chúng, họ có thể lập kế hoạch tốt hơn cho các sứ mệnh trong tương lai."
Những phát hiện này, kết hợp với các quan sát của JWST, sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cách bầu khí quyển và thành phần bề mặt thay đổi trong vành đai Kuiper và xa hơn nữa.
"Nó làm nổi bật cách JWST đang cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về các thiên thể xa nhất trong hệ mặt trời", Bettati cho biết.
nghiên cứu mới đã được công bố vào tháng 2 trên tạp chí Icarus.
Vành đai Kuiper là một vùng trong không gian nằm ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương, nơi có Sao Diêm Vương và hầu hết các hành tinh lùn đã biết, cũng như một số sao chổi được cho là di tích của kỷ nguyên hình thành hành tinh trong hệ mặt trời.
"Các vật thể trong Vành đai Kuiper là những thế giới băng giá [có thể] cho chúng ta biết điều kiện như thế nào cách đây hàng tỷ năm", tác giả chính của nghiên cứu Amelia Bettati, một nhà nghiên cứu tại Đại học Elon ở Bắc Carolina, giải thích. "Nghiên cứu chúng giúp các nhà khoa học hiểu được cách các hành tinh hình thành và tiến hóa."
Các nghiên cứu quang phổ cận hồng ngoại gần đây do Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) thực hiện đã phát hiện ra rằng Sao Diêm Vương chứa cả mêtan và etan trên bề mặt của nó, các phân tử dễ bay hơi chính thường được tìm thấy ở bên ngoài hệ mặt trời và được cho là tàn dư từ thời điểm các hành tinh đang hình thành. Sedna, có chiều rộng nhỏ hơn một nửa Sao Diêm Vương, được phát hiện chỉ có mêtan.
Liên quan: Vành đai Kuiper là gì?
"Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng lý do cho sự khác biệt này là Sedna nhỏ hơn nhiều so với Sao Diêm Vương, vì vậy lực hấp dẫn của nó yếu hơn", Bettati nói với Space.com. "Lực hấp dẫn yếu hơn này cho phép mêtan thoát ra ngoài không gian trong hàng tỷ năm, trong khi etan, một hợp chất nặng hơn, vẫn ở lại phía sau".
Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã xác định được ranh giới chung giữa các vật thể có thể giữ các chất dễ bay hơi này và các vật thể không giữ được, nhưng sự khác biệt giữa Sao Diêm Vương và Sedna cung cấp một manh mối mới về cách các quá trình thoát cụ thể có thể định hình thành phần bề mặt của các vật thể xa xôi này. Sedna, gần với ngưỡng khối lượng mà các chất dễ bay hơi bị mất, làm nổi bật tầm quan trọng của việc hiểu cách một số hóa chất được giữ lại hoặc bị mất, đặc biệt là khi so sánh các vật thể Vành đai Kuiper khác nhau.
Bettati cho biết: "Bằng cách nghiên cứu cách mêtan và etan thoát ra khỏi Sedna, chúng tôi đã tính toán được khối lượng của Sedna phải lớn đến mức nào để giải thích thành phần bề mặt hiện tại của nó". "Để giải thích sự thiếu hụt mêtan nhưng lại có etan trên Sedna, chúng ta phải đưa ra ước tính khối lượng tối thiểu cho Sedna. Điều này rất quan trọng vì nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc và lịch sử của Sedna."
Trong nghiên cứu của mình, Bettati và đồng tác giả Jonathan Lunine, thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA và Viện Công nghệ California, đã lập mô hình mức độ mêtan và etan trên Sedna. Họ đã xác minh độ chính xác của mô hình bằng cách sử dụng hai vật thể tương tự: Sao chổi 67P/Churyumov-Gerasimenko và vệ tinh Enceladus của Sao Thổ.
Tàu thăm dò Rosetta của Châu Âu đã nghiên cứu Sao chổi 67P ở cự ly gần, và tàu vũ trụ Cassini của NASA đã thu thập được rất nhiều dữ liệu về Enceladus trong thời gian tàu thăm dò ở hệ thống Sao Thổ.
Bettati cho biết: "Cả hai vật thể đều có các phép đo được xác định rõ ràng và là các vật thể bên ngoài hệ mặt trời, điều này chứng minh được việc coi chúng là vật thể tương tự".
Để tìm ra xem có đủ mêtan và etan thoát ra khỏi các vật thể này để không còn xuất hiện trong quang phổ bề mặt của chúng hay không, các nhà khoa học cần ước tính lượng hóa chất này ban đầu bị mắc kẹt bên trong.
Họ đã thực hiện điều này trong hai kịch bản khác nhau. Một người cho rằng tỷ lệ mêtan và etan so với nước đá tương tự như tỷ lệ được đo trên Enceladus, trong khi một người khác xem xét tỷ lệ được tìm thấy trên Sao chổi 67P trong mùa đông. Những so sánh này giúp họ hiểu được lượng hợp chất này có thể đã bị mất theo thời gian.
"[Chúng tôi đã sử dụng] mô hình thoát Jeans, [là] một loại thoát nhiệt do nhiệt độ khí quyển thúc đẩy, trong đó các phân tử chuyển động nhanh nhất vượt quá vận tốc thoát, nhưng phần lớn các phân tử thì không", Bettati cho biết.
Họ cũng sử dụng một mô hình khác được gọi là thoát thủy động lực học, xảy ra khi phần lớn các phân tử có thể thoát ra, thay vì chỉ những phân tử ở đầu phân phối có vận tốc cao. Bettati cho biết "Phần lớn khí quyển đang chuyển động, thoát ra ngoài không gian".
Các mô hình chứng minh rằng mêtan vẫn ổn định trên Sao Diêm Vương nhưng thoát ra khỏi Sedna do khối lượng thấp hơn của nó. Tuy nhiên, ethane vẫn ổn định trên cả hai vật thể, ngay cả khi sử dụng hai tỷ lệ thoát khí khác nhau — 100% (chỉ ra sự giải phóng hoàn toàn các chất dễ bay hơi) và 10% (sự giải phóng nhỏ hơn).
Kết quả này phù hợp với quang phổ bề mặt quan sát được và cung cấp ước tính khối lượng chính xác hơn cho Sedna. Mô hình cũng giải thích sự vắng mặt của methane trên một vật thể khác thuộc vành đai Kuiper được gọi là Gonggong.
Bài viết liên quan: Bản đồ hệ mặt trời của chúng ta có thể cần được cập nhật — vành đai Kuiper có thể lớn hơn nhiều
Bài viết liên quan:
— Vành đai Kuiper thứ 2? Hệ mặt trời của chúng ta có thể lớn hơn nhiều so với suy nghĩ
— Vật thể vũ trụ 'Arrokoth' có thể cho chúng ta biết điều gì về sự hình thành hệ mặt trời của chúng ta
— Liệu một hành tinh 'giống Trái Đất' có thể ẩn náu ở vùng ngoài của hệ mặt trời của chúng ta không?
Bettati cho biết: "Giống như Sedna, Gonggong cũng không có khí mê-tan trên bề mặt". "Vì Gonggong có kích thước tương tự như Sedna, chúng tôi tin rằng mê-tan hẳn đã thoát ra khỏi nó theo cách tương tự. Điều này cho thấy các vật thể nhỏ hơn trong vành đai Kuiper mất mê-tan theo thời gian, trong khi các vật thể lớn hơn, chẳng hạn như Sao Diêm Vương, có thể giữ lại mê-tan.
"Nếu các nhà khoa học biết được loại khí nào có khả năng hiện diện trên các vật thể khác nhau trong vành đai Kuiper, tốc độ mất của chúng và thành phần trong quá khứ của chúng, họ có thể lập kế hoạch tốt hơn cho các sứ mệnh trong tương lai."
Những phát hiện này, kết hợp với các quan sát của JWST, sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cách bầu khí quyển và thành phần bề mặt thay đổi trong vành đai Kuiper và xa hơn nữa.
"Nó làm nổi bật cách JWST đang cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về các thiên thể xa nhất trong hệ mặt trời", Bettati cho biết.
nghiên cứu mới đã được công bố vào tháng 2 trên tạp chí Icarus.
