韦布望远镜在柯伊伯带的新发现

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

作者：Matt Williams

翻译：何永强

校对：牧夫天文校对组

编排：王璞

后台：李之琦

原文链接：https://phys.org/news/2023-10-jwst-kuiper-belt-sedna-gonggong.html

艺术家构想的塞德娜，它是绕太阳系外边缘运行的TNO。

图源： NASA/JPL-Caltech

柯伊伯带，太阳系边缘的广阔区域，分布着无数冰冷的天体，是科学发现的宝库。柯伊伯带天体（KBOs）有时也被称为海王星外天体（TNOs），对其的探测和它们的表征已经带来了对太阳系历史的新认识。

柯伊伯带天体的分布指示了塑造太阳系的引力流并且揭示了行星迁移的动态历史。自20世纪末以来，科学家们一直渴望更近距离地观测柯伊伯带天体，以了解更多关于它们的轨道和组成的信息。

研究外太阳系的天体是詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）的众多目标之一。利用韦布近红外光谱仪（NIRSpec）获得的数据，一个国际天文学家团队观测到了柯伊伯带的三颗矮行星：塞德娜、共工星和创神星。这些观测揭示了它们各自的轨道和组成的一些有趣的成分，包括轻烃和被认为是甲烷辐射产物的复杂有机分子。

这项研究是由北亚利桑那大学天文学和行星科学副教授约书亚·埃默里领导的。来自NASA戈达德太空飞行中心（GSFC）、巴黎萨克雷大学空间天体物理研究所、Pinhead研究所、中佛罗里达大学的佛罗里达空间研究所、洛厄尔天文台、西南研究所、太空望远镜科学研究所（STScI）和康奈尔大学的研究人员也参加了他的研究。他们论文的预印本已经发布到arXiv服务器上，《Icarus》正在对其进行评审。

尽管天文学和机器人探测器取得了很大的进步，但我们对海王星外区域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年飞越这两个冰巨星。此外，新视野号任务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，在2019年1月1日，它飞过被称为Arrokoth的柯伊伯带天体。

这也是天文学家们热切期待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外，它强大的红外成像能力也转向了我们的后院，展示了火星、木星及其最大卫星的新图像。在他们的研究中，埃默里和他的同事们参考了韦布获得的柯伊伯带三颗小行星——塞德娜、共工星和创神星的近红外数据。这些天体的直径约为1000公里，这使它们成为国际天文学联合会认定的矮行星。

从两个棱镜光栅观测赛德娜、共工星和创神星的图像

图源： Emery, J.P. et al. (2023)

正如埃默里通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样，天文学家对这些天体的大小、轨道和组成非常感兴趣。其他的外海王星天体——比如冥王星、厄里斯、妊神星和牧神星——表面都保留了挥发性冰（氮、甲烷等）。唯一的例外是妊神星，它似乎在一次大的撞击中失去了挥发物。正如埃默里所说，他们想看看塞德娜、共工星和创神星的表面是否也有类似的挥发物:

“之前的研究表明，他们可能也有。虽然它们的大小相似，但它们的轨道却截然不同。塞德娜是奥尔特云内天体，近日点76 AU，远日点近1000 AU，共工星也在一个非常椭圆的轨道上，近日点33 AU，远日点近100 AU，创神星在一个相对圆形的轨道上，接近43 AU。这些轨道将这些天体置于不同的温度状态和不同的辐射环境中（例如，塞德娜的大部分时间都在太阳风层之外）。我们想研究这些不同的轨道是如何影响表面的。它们表面还有其他有趣的冰和复杂的有机物。”

研究小组利用韦布 NIRSpec 仪器的数据，在低分辨率棱镜模式下从 0.7 到 5.2 微米对三个天体进行了观测，即在近红外波段研究它们。另外还利用分辨率调高了 10 倍的中分辨率光栅在 0.97 到 3.16 微米波段对 创神星进行了额外的观测。由此产生的光谱揭示了关于TNOs和表面成分的一些有趣的事情，Emery说:

“我们在这三颗天体上都发现了大量的乙烷，塞德娜上最明显。塞德娜还显示出乙炔和乙烯。丰度与轨道相关（塞德娜上最多，共工星上较少，创神星上最少），这与相对温度和辐射环境是一致的。这些分子是甲烷的直接辐射产物。如果乙烷（或其他物质）在表面存在了很长时间，它们就会在辐射作用下转化为更复杂的分子。既然我们仍然能看到它们，我们怀疑甲烷一定会相当有规律地在地表重新得到补充。”

这些发现与洛厄尔天文台的天文学家以及新视野号任务的联合研究员威尔·格朗迪博士和SwRI的行星科学家以及地球化学家克里斯·格莱因最近领导的两项研究一致。在这两项研究中，格朗迪、 格莱因和他们的同事测量了阋神星和鸟神星上甲烷中的氘/氢比，得出结论认为甲烷不是原始的成分。相反，他们认为这种比例是甲烷在它们内部被处理并被输送到地表的结果。

8个最大的外海王星天体与地球的比较(均成比例)

图源：NASA/Lexicon

埃默里说:“我们认为塞德娜、共工星和 创神星可能也是如此。我们还看到，塞德娜、共工星和创神星的光谱与较小的柯伊伯带天体不同。在最近的两次会议上，有讨论将较小的柯伊伯带天体群的JWST数据分为三组，其中没有一个看起来像塞德娜、共工星和创神星。这一结果与我们的三个较大的天体具有不同的地热历史是一致的。”

这些发现可能对柯伊伯带天体、海王星外天体和外太阳系其他天体的研究具有重要意义。这包括对行星系统中超越霜冻线的天体形成的新见解，霜冻线指的是挥发性化合物超过霜冻线就会冻结成固体。在我们的太阳系中，海王星外区域对应于氮线，那里的天体将保留大量冰点很低的挥发物（即氮、甲烷和氨）。

埃默里说，这些发现也展示了这一地区的天体正在经历什么样的进化过程。“主要的含义可能是找到温度足以对原始冰进行内部再加工甚至可能是分化的柯伊伯带天体的尺寸。我们还应该能够利用这些光谱来更好地了解外太阳系表面冰的辐射过程。未来的研究将能够更详细地研究这些天体的挥发稳定性，以及它们轨道上任何部分存在大气层的可能性。”

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

“JWST的数据非常棒，”埃默里补充道。“它们使我们能够获得比地面更长的波长光谱，从而能够探测到这些冰。通常，当在一个新的波长范围内进行观测时，初始数据的质量可能相当差。JWST不仅开辟了一个新的波长范围，而且还提供了对外太阳系表面一系列物质灵敏的高质量数据。”

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

柯伊伯带

Ⓒ NASA