Nghiên cứu mới này, là những vật thể xa nhất từng được chụp ảnh trong Hệ Mặt trời, cung cấp manh mối mới về sự hình thành của các Vật thể Vành đai Kuiper - những thiên thể giống tiểu hành tinh ở rìa Hệ Mặt trời - và giúp hiểu được giai đoạn đầu của quá trình hình thành Hệ Mặt trời. Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature giải thích những đặc điểm độc đáo của Arrokoth, một vật thể được tàu vũ trụ New Horizons của NASA chụp ảnh lần đầu tiên vào năm ngoái. Câu chuyện bắt đầu vào năm 2006, khi tàu vũ trụ New Horizons được gửi đi để chụp những hình ảnh cận cảnh đầu tiên của sao Diêm Vương và nghiên cứu các đặc điểm và địa hình của nó.
Sau khi phóng, New Horizons đã đi vào quỹ đạo của sao Diêm Vương, bắt đầu hành trình kéo dài chín năm. Để không lãng phí nhiên liệu và tài nguyên, hầu hết các hệ thống của tàu đều được đặt ở chế độ ngủ đông cho đến khi tiếp cận mục tiêu là sao Diêm Vương. Cũng trong năm 2006, Liên minh Thiên văn Quốc tế đã quyết định hạ cấp sao Diêm Vương từ trạng thái hành tinh xuống thành hành tinh lùn. Tóm lại, tàu vũ trụ New Horizons được gửi đi để nghiên cứu một hành tinh, ngủ quên và thức dậy để phát hiện ra rằng Sao Diêm Vương, từng là một trong chín hành tinh trong hệ mặt trời, giờ không còn được coi là một hành tinh nữa.
Hành trình đến sao Diêm Vương
Nhưng điều đó không làm giảm tầm quan trọng của sứ mệnh này, sứ mệnh đã cung cấp những hình ảnh ngoạn mục về sao Diêm Vương và vệ tinh Charon của nó, đồng thời cung cấp thông tin khoa học có giá trị vẫn đang được nghiên cứu và có thể sẽ còn kéo dài trong nhiều năm nữa. Những nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin quan trọng để hiểu được sự hình thành của hệ mặt trời, đặc biệt là sự hình thành của vành đai Kuiper. Nhưng cuộc phiêu lưu của New Horizons còn nhiều điều thú vị hơn thế, và mặc dù sao Diêm Vương là thiên thể lớn nhất và xa nhất trong hệ mặt trời, nhưng nó không phải là thiên thể duy nhất. Phía sau sao Hải Vương là một khu vực được gọi là Vành đai Kuiper, bao gồm vô số các vật thể giống tiểu hành tinh có kích thước từ vài feet đến hàng nghìn dặm.
Điều kiện ở khu vực này khác biệt (đáng chú ý là lạnh hơn nhiều) so với vành đai tiểu hành tinh "chị em" bên trong Hệ Mặt trời, và các vật thể vành đai Kuiper thường bao gồm nhiều vật liệu băng giá hơn. Tàu vũ trụ New Horizons được trang bị đủ nguồn lực để quan sát một vật thể khác trong vành đai Kuiper, nếu vật thể đó có thể được tìm thấy và không quá xa quỹ đạo ban đầu của tàu vũ trụ. Vào ngày 26 tháng 6 năm 2014, Kính viễn vọng không gian Hubble đã phát hiện ra một trong những vật thể này sau khi tiến hành quan sát sâu rộng về loại vật thể này. Sau khi xác nhận điều đó, nhóm nghiên cứu New Horizons đã thiết kế quỹ đạo của tàu vũ trụ sao cho sau khi hoàn thành nhiệm vụ lập bản đồ sao Diêm Vương, tàu sẽ bay ngang qua vật thể mới phát hiện này.
Hành trình khám phá
New Horizons đã bay ngang qua vật thể này năm năm sau đó (và bốn năm sau lần chạm trán với sao Diêm Vương năm 2015), và vào ngày 1 tháng 1 năm 2019, tàu vũ trụ New Horizons đã chụp ảnh cận cảnh vật thể nhỏ thuộc vành đai Kuiper lần đầu tiên khi nó bay ngang qua cách xa 3.500 dặm. Sau khi những hình ảnh đầu tiên xuất hiện, vật thể vành đai Kuiper, được gọi là 2014-69, được đặt biệt danh là "Người tuyết" vì hình dáng độc đáo của nó. Các nhà nghiên cứu New Horizons ban đầu gọi nó là Ultima Thule (tiếng Latin có nghĩa là "rìa thế giới") vì vị trí xa xôi của nó ở rìa hệ mặt trời.
Nhưng cuối cùng vật thể này đã được đổi tên thành Arrokoth 486958, có nghĩa là "bầu trời" hoặc "mây" trong tiếng thổ dân châu Mỹ Powhatan hiện đã tuyệt chủng. New Horizons đã thu thập được rất nhiều thông tin về Yeti: đây là một sao đôi tiếp xúc dài 30 km bao gồm hai thùy có kích thước khác nhau được kết nối với nhau bằng một cái cổ mỏng và dường như là sản phẩm của vụ va chạm giữa hai vật thể nhỏ hơn trong vành đai Kuiper để tạo thành Arrokoth. Mặc dù nhiều mô hình đã được đề xuất để giải thích sự hình thành của Arrokoth và các tính chất đặc biệt của nó, nhưng các mô hình này gặp phải nhiều thách thức lớn và không thể giải thích tốt các đặc điểm quan trọng của Yeti, đặc biệt là tốc độ quay chậm và độ nghiêng lớn của nó.
Các nhà nghiên cứu trình bày các tính toán phân tích mới và mô phỏng chi tiết để giải thích sự hình thành và đặc điểm của Arrokoth. Nghiên cứu được chỉ đạo bởi nghiên cứu sinh tiến sĩ Evgeni Grishin, tiến sĩ sau tiến sĩ Uri Malamud và giáo sư hướng dẫn Hagai Perets, hợp tác với một nhóm nghiên cứu tại Tübingen, Đức. Một vụ va chạm tốc độ cao đơn giản giữa hai vật thể ngẫu nhiên trong vành đai Kuiper có thể làm vỡ chúng, vì chúng có khả năng chủ yếu được cấu tạo từ băng mềm. Mặt khác, nếu hai vật thể nằm trên quỹ đạo tròn (tương tự như quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất).
Mổ xẻ Người Tuyết
Tốc độ đo được thực tế khá thấp so với tốc độ dự kiến nếu Arrokoth quay rất nhanh rồi từ từ quay xuống để tiếp cận và va chạm nhẹ nhàng hơn. Một vòng quay trọn vẹn của Arrokoth mất 15,92 giờ. Ngoài ra, độ nghiêng của nó (so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời) là 98 độ, do đó nó nằm gần như nghiêng một bên. Theo mô hình nghiên cứu, hai thiên thể này quay quanh nhau, nhưng vì chúng cùng quay quanh mặt trời nên về cơ bản chúng tạo thành một hệ ba.
Động lực của các hệ sao ba như vậy rất phức tạp và được gọi là bài toán ba vật thể. Động lực học của hệ ba sao hấp dẫn được biết là rất hỗn loạn, và trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hệ thống này không di chuyển theo cách đơn giản, có trật tự, cũng không hoạt động theo cách hoàn toàn hỗn loạn. Thông qua quá trình tiến hóa chậm (thế tục), nó chuyển từ quỹ đạo rộng, tương đối tròn sang quỹ đạo hình elip có độ lệch tâm cao, chậm hơn nhiều so với chu kỳ quỹ đạo của Arrokoth quanh Mặt trời. Có thể thấy rằng quỹ đạo như vậy cuối cùng sẽ dẫn tới va chạm, nhưng điều này xảy ra rất chậm.
Nhưng mặt khác, nó sẽ tạo ra một vật thể quay chậm, nghiêng nhiều, phù hợp với các đặc tính của Arrokoth. Các mô phỏng chi tiết đã xác nhận điều này và tạo ra một mô hình rất giống với ngoại hình, khả năng xoay và nghiêng của Arrokoth Yeti. Chúng tôi cũng đã nghiên cứu tính ổn định và khả năng xảy ra của các quá trình như vậy và phát hiện ra rằng chúng khá phổ biến ở 20% tất cả các sao đôi của vành đai Kuiper và có khả năng tiến hóa theo cách tương tự. Cho đến nay, vẫn chưa thể giải thích được những đặc điểm độc đáo của Arrokoth, đây là một kết quả trái ngược với trực giác.
Xác suất va chạm thực sự tăng lên khi khoảng cách nhị phân ban đầu lớn hơn và góc nghiêng ban đầu gần 90 độ. Mô hình mới giải thích cả khả năng va chạm cao và dữ liệu duy nhất cho hệ thống thống nhất hiện nay, và thực sự dự đoán rằng có nhiều vật thể hơn nữa trong vành đai Kuiper. Trên thực tế, ngay cả hệ thống vệ tinh Sao Diêm Vương và Charon cũng có thể được hình thành thông qua các quá trình tương tự, và chúng dường như đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của các hệ sao đôi và mặt trăng trong Hệ Mặt trời.
Công viên Boco | Nghiên cứu/Nguồn: Viện Công nghệ Hoa Kỳ
Tạp chí tham khảo Nature
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
Theo dõi [Bokeyuan] để xem thêm nhiều khoa học vũ trụ đẹp hơn
