韦伯观测到柯伊伯带的三颗矮行星

在这位艺术家的构想中，新发现的类行星物体，称为塞德娜，位于已知太阳系的外边缘。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

使用 詹姆斯·韦伯太空望远镜天文学家观测到三颗矮行星 柯伊伯带以及轻质碳氢化合物和复杂分子的发现。 这些结果增进了我们对太阳系外物体的了解，并凸显了詹姆斯·韦伯太空望远镜的太空探索能力。

这 柯伊伯带太阳系边缘的广阔区域充满了无数的冰体，是科学发现的宝库。 检测和表征 柯伊伯带天体 （柯伊伯带天体），有时称为 跨海王星天体 （TNO机构）导致人们对太阳系历史有了新的认识。 柯伊伯带天体的脱落是形成太阳系的引力流的一个指标，并揭示了行星迁移的动态历史。 自 20 世纪末以来，科学家们一直热衷于仔细观察柯伊伯带天体，以更多地了解它们的轨道和成分。

詹姆斯·韦伯太空望远镜观测

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。 使用韦伯获得的数据 近红外光谱仪 (NIRSpec)，一个国际天文学家小组观测到了柯伊伯带中的三颗矮行星： 塞德娜、荣荣和夸尔。 这些观测揭示了有关它们的轨道和成分的许多有趣的事情，包括轻质烃和复杂的有机分子，这些分子被认为是甲烷辐照的产物。

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。 他的研究人员来自 美国宇航局戈达德太空飞行中心（GSFC）。 空间天体物理研究所 （巴黎萨克雷大学）。 针头研究所， 这 佛罗里达太空研究所 （中佛罗里达大学）。 洛厄尔天文台， 这 西南研究院 （瑞士），以及 太空望远镜科学研究所 （STScI），美国大学。 和康奈尔大学。 他们论文的预印本已出现在网上，并正在接受审查以供出版 伊卡洛斯。

自从上次飞越柯伊伯带中的阿罗科斯天体以来，新视野号任务一直在探索柯伊伯带中的天体并进行日光层和天体物理观测。 图片来源：NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

柯伊伯带勘探历史

尽管天文学和机器人探险家取得了巨大的进步，但我们对海王星外和柯伊伯带的了解仍然有限。 到目前为止，唯一的学习任务 天王星, 海王星他们的主要卫星是 航行者2号 该任务分别于1986年和1989年飞越了这两颗冰巨星。 此外， 新视野 该任务是第一个进行研究的航天器 冥王星 及其卫星（2015 年 7 月），也是唯一一颗遇到柯伊伯带天体的卫星，发生在 2019 年 1 月 1 日，当时它飞近被称为 Arrokoth 的柯伊伯带天体。

JWST 天文学家的预测

这是天文学家热切等待詹姆斯·韦伯太空望远镜发射的众多原因之一。 除了研究系外行星和宇宙中最古老的星系之外，强大的红外成像能力也被瞄准了我们的后院，揭示了……的新图像。 火星, 木星， 和她 最大的卫星。 在他们的研究中，埃默里和他的同事依赖于韦伯获得的柯伊伯带三颗行星——塞德娜、古贡和库尔的近红外数据。 这些物体的直径约为 1,000 公里（620 英里），这使它们位于 国际天文学联合会矮行星分类。

关于矮行星的见解

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特别感兴趣，因为它们的大小、轨道和成分。 其他海王星外天体——如冥王星、阋神星、Haumea 和鸟神星——在其表面保留了挥发性冰（氮、甲烷等）。 唯一的例外是 Haumea，它在（显然）显着的效果中失去了挥发物。 正如埃默里所说，他们想知道塞德娜、贡贡和夸奥尔的表面是否也有类似的挥发物：

“之前的研究表明它们也许能够做到。虽然它们的大小大致相似，但它们的轨道不同。塞德娜是来自奥尔特云内部的一个物体，其近日点为 76 个天文单位，远地点约为 1,000 个天文单位。Gunggung 位于椭圆轨道 同样极端的是，Kwar 的近日点为 33 个天文单位，远地点约为 100 个天文单位，Kwar 处于接近 43 个天文单位的相对圆形轨道。这些轨道将物体置于不同的温度范围和不同的辐射环境中（例如塞德娜，“它花费了“它大部分时间都在太阳日光层之外。我们想研究这些不同的轨道如何影响表面。表面上还有其他有趣的冰和复杂的有机材料。”

来自 Sedna、Goonggong 和 Quoar 的两个 PRISM 观测之一的图像。 图片来源：Emery, J.P. 等人。 (2023)

利用 Webb NIRSpec 仪器的数据，该团队在低分辨率棱镜模式下以 0.7 至 5.2 微米 (μm) 的波长观察了所有三个物体，将它们全部置于近红外光谱中。 使用光谱分辨率十倍的中等分辨率网格在 0.97 至 3.16 μm 范围内进行了额外的 Quaoar 观测。 埃默里说，由此产​​生的光谱揭示了这些 TNO 物体及其表面成分的一些有趣的事情：

“我们在三个天体上发现了大量的乙烷 (C2H6)，尤其是在 Sedna 上。Sedna 还显示出乙炔 (C2H2) 和乙烯 (C2H4)。丰度与轨道有关（Sedna 上最多，Gunggung 上较少，而至少在库瓦），这与相对温度和辐射环境一致。这些分子是甲烷（CH4）直接照射的产物。如果乙烷（或其他）长期存在于表面，它就会转化为通过辐射产生更复杂的分子。由于我们仍然可以看到它们，因此我们怀疑屋顶是否必须定期补充甲烷（CH4）。

这些发现与洛厄尔天文台天文学家、美国宇航局副研究员威尔·格伦迪博士最近领导的两项研究结果一致。 新视野 任务以及西南研究所的行星科学家和地球化学家克里斯·格伦 (Chris Glenn)。 在这两项研究中，格伦迪、格伦和他们的同事测量了虹膜和鸟神星上甲烷中的氘/氢 (D/H) 比率，并得出结论，甲烷并不原始。 相反，他们认为，这些比率是由甲烷在内部处理并输送到地表产生的。

“我们认为 Sedna、Gonggong 和 Quaoar 可能也是如此，”埃默里说。 “我们还看到 Sedna、Goonggong 和 Quaoar 的光谱与较小的柯伊伯带天体的光谱不同。最近两次会议上的讨论表明，詹姆斯·韦伯太空望远镜将较小的柯伊伯带天体星团的数据分为三组，其中没有一组类似于塞德娜（Sedna）、共工（Gonggong）和夸奥尔（Quaoar）。尽管我们的三个较大的天体具有不同的地热历史，但他们都同意这是一个结果。

八个最大的 TNO 与地球的比较（全部按比例）。 图片来源：NASA/Lexicon

结果的影响

这些结果可能对柯伊伯带天体、TNO 和太阳系外其他天体的研究具有重要意义。 这包括对行星系统中霜线以外物体形成的新见解，霜线是指挥发性化合物冻结的线。 在我们的太阳系中，海王星外区域对应于氮线，其中物体保留了大量凝固点非常低的挥发性物质（例如氮、甲烷和氨）。 埃默里说，这些发现也说明了该区域身体中发生的进化过程的类型：

“主要影响可能是找到柯伊伯带天体变得足够温暖以进行原始冰的内部再加工，甚至可能分化的体积。我们还应该能够利用这些光谱来更好地了解柯伊伯带天体表面冰的辐射过程。未来的研究还将能够更详细地研究这些物体在其轨道任何部分上方的不稳定稳定性和大气层的可能性。

这项研究的结果还证明了詹姆斯·韦伯太空望远镜的能力，自去年初投入运行以来，该望远镜已多次证明了其价值。 它还提醒我们，韦伯除了能够对遥远的行星、星系和宇宙的大尺度结构产生新的见解和新的发现外，还可以揭示我们自己的宇宙小角落的事情。

“詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据令人惊叹，”埃默里补充道。 “它使我们能够获得比地球更长的波长光谱，从而使我们能够探测到这些冰。通常，在新的波长范围内进行观测时，原始数据的质量可能非常差。詹姆斯·韦伯望远镜并没有太空探测器不仅提供了新的波长范围，而且还为太阳系外的一系列表面材料提供了极其高质量和敏感的数据。

改编自最初发表于 今天的宇宙。

参考文献：《三颗矮行星的故事：JWST 光谱中的塞德娜、贡贡和库瓦的冰和有机物》作者：J.P. Emery, I. 黄，R. 布鲁内托，J.C.库克，N. Pinilla-Alonso、J. A. Stansbury、B. J. Holler、W. M. Grundy、S. Protopapa、A. C. Souza-Feliciano、E. Fernández-Valenzuela、J. I. Lunine 和 D. C. Hines，2023 年 9 月 26 日， 天体物理学 > 地球和行星物理学。
arXiv：2309.15230