在这位艺术家的可视化中，新发现的类行星物体，被称为“塞德娜”，显示了它位于已知太阳系外缘的位置。来源:美国国家航空航天局/姓名

使用詹姆斯·韦伯太空望远镜，天文科学家们在柯伊伯带观测了三颗矮行星，发现了轻碳氢化合物和复杂分子。这些发现增强了我们对太阳系外天体的理解，并突出了JWST在太空探索方面的能力。

柯伊伯带，太阳系边缘的广阔区域，居住着无数冰冷的天体，是科学发现的宝库。柯伊伯带天体(kbo)的探测和表征，有时也被称为海王星外天体(TNOs)，已经导致了对太阳系历史的新认识。柯伊伯带天体的分布是形成太阳系的引力流的一个指标，它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察柯伊伯带天体，以了解更多关于它们的轨道和组成的信息。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测

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。利用韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)获得的数据，一个国际天文学家团队观察到了柯伊伯带的三颗矮行星:塞德娜、公公星和夸奥星。这些观测揭示了它们各自的轨道和组成的一些有趣的事情，包括轻烃和复杂的有机分子，这些分子被认为是甲烷辐射的产物。

这项研究是由北亚利桑那大学天文学和行星科学教授约书亚·埃默里领导的。来自美国宇航局戈达德太空飞行中心(GSFC)、巴黎萨克雷大学(universitparis - saclay)、Pinhead研究所、佛罗里达空间研究所(中佛罗里达大学)、洛厄尔天文台、西南研究所(SwRI)、太空望远镜科学研究所(STScI)和美国大学的研究人员也参加了他的研究。和康奈尔大学。他们的论文的预印本已经出现在网上，伊卡洛斯正在审查发表。

自从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，并进行日球层和天体物理观测。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

柯伊伯带勘探的历史

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物体的航天器，这发生在2019年1月1日，当时它飞过被称为Arrokoth的柯伊伯带。

天文学家对JWST的期望

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，揭示了火星、木星及其最大卫星的新图像。在他们的研究中，埃默里和他的同事参考了韦伯获得的柯伊伯带三颗小行星的近红外数据——塞德娜、公公星和夸奥星。这些天体的直径约为1000公里(620英里)，这使它们成为国际天文学联合会指定的矮行星。

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，这些天体对天文学家来说特别有趣，因为它们的大小、轨道和组成。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，它在一次大的撞击中(显然)失去了挥发物。正如埃默里所说，他们想看看塞德娜、公公和夸奥尔的表面是否也有类似的挥发物:

“之前的研究表明，他们可能能够做到。虽然它们的大小大致相似，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，公公也在一个非常椭圆的轨道上，近日点33 AU，远日点~100 AU，夸欧尔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的日球层之外)。我们想研究这些不同的轨道是如何影响表面的。火星表面还有其他有趣的冰和复杂的有机物。”

从两个棱镜光栅观测赛德娜，公公星和夸奥星的图像。来源:Emery, J.P. et al. (2023)

利用韦伯NIRSpec仪器的数据，研究小组在低分辨率棱镜模式下观察了这三个天体，波长跨度为0.7到5.2微米(μm)，将它们全部置于近红外光谱中。在0.97 ~ 3.16 μ m范围内使用中分辨率光栅进行了额外的观测，光谱分辨率为10倍。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(C2H6)，塞德娜上最明显。Sedna还显示乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)。丰度与轨道相关(塞德娜上最多，公公星上较少，夸尔星上最少)，这与相对温度和辐射环境是一致的。这些分子是甲烷(CH4)的直接辐照产物。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(CH4)一定会相当有规律地重新供应到地表。”

这些发现与洛厄尔天文台的天文学家威尔·格朗迪博士(Will Grundy)和SwRI的行星科学家和地球化学家克里斯·格莱因(Chris Glein)最近领导的两项研究一致。格朗迪博士是美国宇航局新视野号任务的联合研究员。在这两项研究中，Grundy, Glien和他们的同事测量了厄里斯和Makemake上甲烷中的氘/氢(D/H)比，得出结论认为甲烷不是原始的。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。

埃默里说:“我们认为塞德娜、公公和夸奥尔可能也是如此。”“我们还看到，塞德娜、公公星和夸奥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、公公和夸奥。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。”

8个最大的外海王星天体与地球的比较(均按比例)。来源:美国国家航空航天局/词典

研究结果的含意

这些发现可能对柯伊伯带天体、外海王星外天体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超越霜冻线的物体形成的新见解，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，这些发现也证明了这一地区的身体正在经历什么样的进化过程:

“主要的含义可能是找到柯伊伯带的温度足以对原始冰进行内部再加工的大小，甚至可能是分化。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照过程。未来的研究还将能够更详细地研究这些天体的挥发性稳定性，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、星系和宇宙的大规模结构有新的认识和突破外，韦伯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。

参考文献:《三颗矮行星的故事:来自JWST光谱的塞德娜、公公星和Quaoar上的冰和有机物》，作者:J.P. Emery, I. Wong, R. Brunetto, J.C. Cook, N. Pinilla-Alonso, J.A. Stansberry, 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b>地球和行星天体物理学。arXiv: 2309.15230