NASA韋伯望遠鏡揭開海王星外驚人發現

早在1950年代，天文學家肯尼斯·艾吉沃斯（Kenneth Edgeworth）便首次提出，在海王星之外可能存在一群神秘天體。這一理論後來由傑拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）進一步擴充套件，如今這片區域被稱為「柯伊伯帶」。柯伊伯帶位於太陽系外圍，距離太陽約30至50個天文單位（AU），是大量「短週期」彗星的棲息地，這些彗星的軌道週期少於200年。據估計，柯伊伯帶可能蘊藏多達1億顆彗星。

這些被稱為「海王星外天體」（TNOs）的物體，其軌道路徑多樣，但它們的分佈反映了天王星與海王星早期的遷移過程，這對太陽系結構的形成至關重要。因此，TNOs為我們提供了關於太陽系形成與演化的關鍵線索。然而，要真正解開它們的奧秘，需要NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的尖端技術。韋伯望遠鏡能夠以前所未有的精細度分析這些遙遠天體的表面成分，徹底改變了我們對TNOs的認知。

韋伯望遠鏡首次提供了TNOs的高解析度光譜資料，顯示其表面含有水冰、二氧化碳和複雜的有機分子。這一突破性發現將TNOs分為三個不同的光譜類別，揭示了它們的形成歷史與演化過程。1930年，克萊德·湯博（Clyde Tombaugh）在洛威爾天文臺發現了冥王星，這是首個被發現的TNO。1992年，天文學家大衛·朱維特（Dave Jewitt）和劉麗娟（Jane Luu）發現了第二個TNO，名為1992 QB1（現稱Albion）。至今，科學家已識別出超過5,000個TNOs。

這些遙遠天體的軌道記錄了木星、土星、天王星與海王星在太陽系早期的位置變遷。電腦模型顯示，隨著天王星與海王星向外遷移，它們擾動了原始的TNOs盤，將許多天體丟擲，並將剩餘的天體引導至現今的軌道。天文學家根據TNOs與太陽的距離、軌道偏心率以及軌道傾角對其進行分類。其中，一組特別有趣的TNOs遵循「冷古典軌道」，這些天體自太陽系早期以來便保持原始軌道，被視為行星形成的基礎材料。

2019年1月，NASA的新視野號（New Horizons）探測器近距離探訪了其中一個天體——阿羅科斯（Arrokoth），為我們提供了太陽系古老歷史的珍貴線索。然而，由於TNOs距離太陽非常遙遠，溫度極低（約攝氏零下170度），要追溯它們的形成位置相當困難。只有透過研究個別TNOs的成分，我們才能描繪出原始外盤的組成。

韋伯望遠鏡憑藉其大型主鏡和高靈敏度儀器，首次提供了典型TNOs（直徑小於800公里）的詳細成分資訊。其近紅外光譜儀（NIRSpec）將波長介於1至5微米的光線分解為數百甚至數千種顏色，這些顏色的相對亮度形成光譜，幫助識別天體的成分。由於TNOs形成於原始行星盤的寒冷外圍，科學家長期以來推測其表面主要由水冰、二氧化碳、氮氣和甲烷等物質組成。此外，太陽及太陽系外的輻射會改變其化學成分，形成更複雜的碳氫化合物（如有機分子）。

在科學運作的前兩年，韋伯望遠鏡已對超過75個TNOs進行了高品質光譜分析，並首次全面揭示了它們的成分。其中，DiSCo-TNOs計畫（計畫編號#2418）提供了近60個天體的資料，並首次發現了三種光譜類別，這完全出乎早期研究的預料。這三種型別分別為「碗型」、「雙谷型」和「懸崖型」，其光譜特徵反映了不同的表面成分。

研究團隊推測，這些不同的光譜型別可能與TNOs形成時的溫度有關。碗型天體形成於較靠近太陽的區域，高溫使其表面的二氧化碳和甲烷揮發；而雙谷型和懸崖型天體則形成於更遠的寒冷區域，這些物質得以穩定存在。值得注意的是，所有位於未受擾動的冷古典軌道上的TNOs均屬於懸崖型，這進一步支援了這一假設。

展望未來，韋伯望遠鏡將持續進行TNOs觀測計畫，包括對極端TNOs及其衛星的光譜觀測，以及對TNOs雙星系統的研究，以更好地理解這些天體的形成過程。誰知道接下來的一年會帶來哪些新發現與驚喜呢？

約翰·斯坦斯伯裡（John Stansberry）和布萊恩·霍勒（Bryan Holler）是STScI的科學家，他們在DiSCo-TNOs計畫中發揮了關鍵作用，幫助解讀了TNOs的形成距離與成分，為我們揭開了太陽系古老歷史的神秘面紗。