最近来自中佛罗里达大学的研究为外太阳系的形成和演化提供了新的见解，该研究基于对越海王星天体（TNOs）和半人马星的研究。
今天在《自然天文学》发布的结果，展示了年轻太阳系中冰质材料的分布，并详细描述了TNOs如何在向内太阳系的巨型行星漂移时转变为半人马星，这些巨型行星位于木星和土星之间。
TNOs，被称为“行星小体”，是绕太阳运行的微小天体，其位于冥王星以外。它们从未凝聚成完整的行星，而是作为未受影响的时间胶囊，保存着关于数十亿年前分子动力学和行星迁移的重要线索。这些天体模拟冰质小行星，其轨道等于或超过海王星的轨道。
在这项具有开创性的UCF研究之前，虽然人们认识到TNOs根据其轨道特征和表面色调存在不同的种群，但它们的分子成分在很大程度上仍然未知。这一理解上的空白使得解释它们的颜色变化和动态行为变得具有挑战性。新研究通过提供组成见解填补了这一空白，解释了这一色彩多样性。
研究的第一作者诺埃米·皮尼亚-阿隆索评论道：“通过这项新研究，呈现出更加完整的多样性画面，拼图的碎片开始组合在一起。”
“这是我们第一次识别出导致越海王星天体显著光谱、颜色和反照率多样性的特定分子，”皮尼亚-阿隆索解释说。“这些分子——如水冰、二氧化碳、甲醇和复杂有机物——在TNOs的光谱特征与其化学成分之间建立了直接联系。”
研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），将TNOs分为三种不同的成分组，这些组受制于数十亿年前太阳系形成期间确立的冰保留线。
这些冰保留线被确定为温度足够低以形成和保持特定冰的区域。它们划分出由距离太阳的远近决定的区域，指示早期太阳系温度梯度中的临界点，连接了行星小体形成的条件与它们当前的成分。
第二作者、国家科学研究中心（Centre National de la Recherche Scientifique）在巴黎萨克雷大学的太空天文研究所的研究员罗萨里奥·布伦内托评论说，这项研究建立了行星小体在原行星盘内形成与其后续发展的首次明确联系。这项工作照亮了当前观察到的光谱和动态是如何在受复杂演化力量塑造的行星系统中形成的。
布伦内托指出：“TNOs的成分组在具有相似轨道的物体中并不均匀分布。”例如，起源于原行星盘最外层的冷古典组，主要由甲醇和复杂的有机物组成。相比之下，与形成于靠近巨型行星的奥尔特云关联的TNOs，则主要特征是水冰和硅酸盐。”
参与该项目的UCF物理学博士生布里塔尼·哈维森解释说，三种成分组展示了表明原行星盘成分布局的特征。
“这支持了我们对构成外太阳系天体（如气体巨星及其卫星、冥王星及其他越海王星区域居民）形成材料的理解，”她表示。
在《自然天文学》上发表的另一项关于半人马星的相关研究中，研究人员发现了与TNOs不同的独特光谱特征，突显了其表面上尘土覆盖的风化层的存在。
这一关于半人马星的观察，半人马星是TNOs在与海王星发生近距离接触后迁移至巨型行星附近，它增强了我们对TNOs如何在接近太阳并偶尔发展出彗星状尾巴时转变为半人马星的理解。
研究结果表明，所有调查过的半人马星表面与TNO表面相比，展现出独特的特征，暗示这些物体是在迁移到内太阳系的过程中发生了变化。
在识别出的三类TNO表面类型中，有两个——碗形和悬崖形——在半人马星群体中被发现；皮尼亚-阿隆索表示，这两类都被描述为缺乏挥发性冰。
然而，在半人马星中，这些表面类型表现出显著的区别：它们表面覆盖了一层尘土和冰混合的风化层。
“有趣的是，我们识别出了一种在TNOs中不存在的新表面类型；它类似于内太阳系中发现的缺冰表面，以及彗星核和活跃小行星，”她提到。
西班牙特内里费的加那利天文研究所（IAC）高级研究员以及半人马星研究的第一作者哈维尔·利坎德罗强调，发现半人马星的光谱多样性比先前假设的更为广泛，这表明现有的热演化和化学演化模型可能需要调整。
例如，观察到的有机特征的变化和辐射效应的水平并不是完全预期的，利坎德罗指出。
“在水、尘埃和复杂有机物方面探测到的半人马星种群的多样性，表明TNO群体中存在不同的起源和不同的演化阶段。这突显出半人马星并非均质群体；相反，它们是动态和过渡的物体，”利坎德罗解释说。“观察到的半人马星表面成分的热演化，对理解TNOs与其他小型天体种群的关系至关重要，包括巨型行星的不规则卫星及其特洛伊小行星。”
UCF佛罗里达空间研究所（FSI）的共同作者、行星科学家查尔斯·香博强调了这些观察的重大意义，并指出一些半人马星可以被归类为与DiSCo观察的TNOs同一组。
“这非常重要，因为当一个TNO转变为一个半人马星时，它会在更温暖的环境中经历表面冰和物质的转变，”香博解释说。“然而，在某些情况下，表面变化很小，允许某些半人马星与其母TNO群体联系在一起。尽管TNOs和半人马星的光谱特征不同，但它们共享足够的相似性来建立联系。”
研究是如何进行的
这项研究是发现越海王星天体表面成分的发现（DiSCo）项目的一部分，该项目由皮尼亚-阿隆索领导，旨在确定TNOs的分子组成。皮尼亚-阿隆索目前在奥维耶多大学的空间科学与技术研究所担任教授，并作为FSI的行星科学家进行这项工作。
该团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），该望远镜大约在三年前发射，利用近红外观测捕获了关于TNOs和半人马星的表面分子多样性的独特见解。这种方法克服了地面观测和其他现有仪器面临的限制。
在TNO研究中，研究人员利用JWST检查了54个TNO的光谱，使他们能够记录这些天体的精确光模式。通过研究这些敏感光谱，他们能够准确识别出这些天体的特征。在TNOs的表面上特定分子。通过聚类方法，TNOs根据其表面成分被分为三类独特的类别。这些类别风趣地命名为“碗型”、“双浸型”和“悬崖型”，指的是它们的光吸收特性形状。
以下是他们发现的内容：
- 碗型TNOs：占总样本的25%，这些TNO显示出明显的水冰吸收和尘埃外观。它们表现出清晰的低反射率晶态水冰的证据，暗示着黑暗、耐火材料。
- 双浸型TNOs：占样本的43%，显示出强烈的二氧化碳（CO2）信号，同时指示出复杂有机化合物。
- 悬崖型TNOs：占样本的32%，这些TNO表现出明显的复杂有机物、甲醇和富氮分子的迹象，在该组中出现偏红的颜色。
在关于半人马的研究中，研究人员调查了五个半人马（52872 Okyrhoe、3253226 Thereus、136204、250112和310071）的反射光谱，这有助于识别其表面成分，并强调所检查样本内的显著变化。
他们确定Thereus和2003 WL7为碗型，而2002 KY14属于悬崖型类别。其他两个半人马，Okyrhoe和2010 KR59，未对应于任何已建立的光谱类别，被归类为“浅型”，以其独特的光谱特征为特征，显示出大量原始的彗星状尘埃，几乎没有或没有挥发性冰。
先前研究及未来方向
Pinilla-Alonso指出，早期的DiSCo研究发现TNO表面普遍存在碳氧化物，这是一项重要发现。
“现在，我们在这一发现的基础上，提供了对TNO表面的更深入的见解，”她表示。“一个主要发现是，水冰，以前被认为是最常见的表面冰，其实比我们最初想象的要少。相反，二氧化碳（CO2），在地球的温度下为气体，以及其他碳氧化物，如高度挥发性的的一氧化碳（CO），在更多的实体中被发现。”
根据Harvison的说法，这项新研究的发现仅仅是起点。
“根据我们关于识别的成分组收集到的信息，还有很多有待研究和理解，”她补充道。“作为一个科学共同体，我们可以开始深入探讨导致这些组当前形式的具体原因。”
这项研究由NASA通过来自太空望远镜科学研究所的资助支持。
