NASA韦伯望远镜首次提供了关于海王星外天体的高分辨率光谱数据

跨海王星天体（TNO）是冰冻天体，它们的大小差异很大，有像冥王星和阋神星这样的大型矮行星--直径都在1500英里左右，也有小得多的天体，比如阿罗科斯，直径只有几十英里。 这些遥远的天体绕太阳运行的距离与海王星的轨道相当，甚至远远超过。

海王星外天体（TNO）冥王星（左）和阿罗科斯（右）的图像，它们是美国国家航空航天局（NASA）的新视野号（New Horizons）航天器在2015年和2019年飞越的主要目标。 美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）有能力获取观测数据，深入研究各种TNO，这既是对"新视野"号的补充，也超出了"新视野"号的研究范围。 图片来源：NASA/SwRI/JHU-APL

20世纪50年代，肯尼斯-埃奇沃思（Kenneth Edgeworth）首次提出了存在这类天体群的想法，后来杰勒德-柯伊伯（Gerard Kuiper）对其进行了扩展。 如今，它们所居住的区域被称为柯伊伯带，而TNO通常也被称为柯伊伯带天体（KBO）。

TNO的轨道路径多种多样，但它们的分组反映了天王星和海王星的早期迁移，它们在太阳系结构的形成过程中发挥了关键作用。 正因为如此，TNO 为我们的行星系的形成和演化提供了重要线索。 然而，要真正揭开它们的秘密，需要NASA的詹姆斯-韦伯太空望远镜的先进功能。 韦伯望远镜能够以前所未有的详细程度分析这些遥远天体的表面成分，它正在彻底改变我们对尘埃落定星的认识。来自巴尔的摩太空望远镜科学研究所（STScI）的布莱恩-霍勒（Bryan Holler）和约翰-斯坦斯贝里（John Stansberry）解释了韦伯如何改变我们对这些古老冰雪世界的认识。

詹姆斯-韦伯太空望远镜首次提供了关于TNO的高分辨率光谱数据、 显示它们的表面含有水冰、二氧化碳和复杂的有机分子。

这一开创性的发现促使人们把近地天体划分为三个不同的光谱组，从而揭示了它们的形成历史和演化过程。

冥王星是第一个被发现的海王星外天体（TNO），1930 年由洛厄尔天文台的克莱德-汤博夫发现。 六十多年后，1992 年，天文学家 Dave Jewitt（加州大学洛杉矶分校）和 Jane Luu（麻省理工学院）发现了第二个已知的 TNO，即 1992 QB1，现在被命名为阿尔比恩。

这些遥远天体的轨道记录了巨行星--木星、土星、天王星和海王星--在太阳系历史早期是如何移动位置的。 计算机模型显示，当天王星和海王星向外迁移时，它们扰乱了原来的尘埃落定星圆盘，将许多天体弹射出去，同时引导剩余的天体进入目前的轨道。 如今，天文学家们根据它们与太阳的轨道距离、轨道的椭圆度（偏心率）以及相对于行星平面的倾斜度（倾角）对TNO进行分类。

有一组特别有趣的 TNO 遵循"冷经典"轨道、 这意味着它们的倾角和偏心率都很低。 模型显示，这些天体从太阳系早期开始就一直保持着原来的轨道，因此它们作为原行星盘未被触动的残余物是非常宝贵的。 这些原始的 TNO 被认为是行星的基本组成部分。 其中一个天体，Arrokoth，在 2019 年 1 月被美国宇航局的"新视野"（New Horizons）航天器近距离造访，让人们难得一见太阳系古老的过去。

在巨行星迁移过程中轨道受到扰动的TNO中，很难追溯到它们形成的地方。 然而，只有通过研究单个 TNO 的组成，我们才有希望绘制出原始外盘的组成图。 TNO 位于距离太阳非常遥远的轨道上，而且非常寒冷，低于零下 280 度华氏度（约零下 170 度 摄氏度），因此它们的表面可以提供有关星盘内行星原始成分的信息。

Webb是第一个能够提供典型TNO（直径小于约500英里或800公里）详细成分信息的天文台，因为它拥有大型主镜和高灵敏度的仪器。

利用美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据首次确定的三个TNO 光谱类别的光谱。 每个面板中的粗实线是每个类别中十几个 TNO 光谱的平均值。 每个光谱中的显著特征都突出显示和/或标注了吸收这些波长的分子或材料类别的名称。 图片来源：改编自皮尼利亚-阿隆索等人，2024 年。

韦伯的近红外探测器将波长在1 到 5 微米之间的光分成数百或数千种单独的颜色。 这些颜色的相对亮度与波长的函数关系就是光谱。

由于 TNO 形成于原行星盘寒冷的外层，人们一直认为它们的表面会以地球表面的气体或液体分子的冰为主，例如水（H）。例如，水（H2O）、二氧化碳（CO2）、氮（N2）和甲烷（CH4）等。 此外，来自太阳和太阳系外的辐射改变了化学成分，产生了新的、更复杂的碳氢化合物（有机物）分子，如甲醇（CH3OH ）、 乙炔（C2H2）和乙烷（C2H6）。 韦伯数据证实了这一点，但证实的方式出乎意料，细节也前所未有。

在科学运行的头两年里，韦伯拍摄到了超过 75 个TNO 的高质量光谱，首次全面了解了它们的构成，其中包括来自大型周期 1 计划"DiSCo-TNO"（计划 ID #2418，PI：Noemí Pinilla-Alonso）的近 60 个天体。

DiSCo-TNO计划的大型数据集的主要成果是确定了三个光谱类别，这是不同表面成分的第一个证据，这完全出乎先前研究的预料。

碗型光谱主要是水冰的吸收特征，也有一些二氧化碳冰的吸收特征，还有富含硅酸盐的尘埃的吸收特征。 双浸光谱具有复杂的有机分子、二氧化碳和一氧化碳冰的吸收特征。 悬崖光谱中的有机物和二氧化碳比双浸光谱更加复杂，还包括由 CH3OH 引起的特征。 双浸光谱显示出非常丰富和纯净的二氧化碳冰，4.27 微米波段上的两个反射峰（从未在实验室外观测到过）就是证明。 这三种光谱类型在最短可见光波长处的颜色也各不相同，碗状冰最不红，双浸冰居中，悬崖冰最红。

DiSCo-TNO研究小组在皮尼利亚-阿隆索等人（2024）的文章中假设，这些不同的光谱类型是由于离太阳较近的地方温度较高，而较远的地方温度较低造成的。 具体来说，"碗"型在离太阳较近的地方形成，受到较高温度的影响，二氧化碳和甲烷基本上被烘烤掉了。 这些化合物在双倾角和悬崖上更为稳定，因为它们形成的距离更远。

导致这一假设的一个重要线索是，在未受干扰的冷经典轨道上的所有天体都是悬崖天体。 其他轨道上的 TNO 包括了所有三种组成类型的天体，这是由于海王星向外迁移时的动力学重新洗牌（如上所述）所造成的： 下一步是什么？

展望未来，韦伯每年都会继续执行强大的 TNO 观测计划，并由社区选择执行新的令人兴奋的计划。 周期 3 将对少数几个 TNO 及其卫星进行成像和光谱观测，包括首次对"极端"TNO 进行光谱观测，这些 TNO 的轨道将它们带入星际空间。

另一项计划的目的是回溯到科学运行第一年观测到的目标，以便更详细地了解导致原极星云中形成TNO的物质。 另外两个计划的重点是对 TNO 双星系统进行成像和光谱分析，以便更好地了解 TNO 卫星的起源，是通过巨大的撞击还是通过引力塌缩共同形成的。

谁知道明年会有什么新想法和激动人心的发现呢？

关于作者

约翰-斯坦斯贝里（John Stansberry），STScI 天文台科学家，STScI 韦伯太阳系负责人，帮助确定了科学目标和 2418 计划（DiSCo-TNO）中观测的实施，并将数据解释为反映了原行星盘中各个 TNO 的形成距离。

布赖恩-霍勒（Bryan Holler）是STScI科学家和STScI韦伯太阳系副负责人，他为DiSCo-TNO计划处理并提取了NIRSpec数据中的光谱。

编译自/ScitechDaily