Vành đai Kuiper nằm ở rìa ngoài của hệ mặt trời của chúng ta, bên ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương. Đôi khi nó được gọi là “vùng thứ ba” của hệ mặt trời. Các nhà thiên văn học cho rằng có hàng triệu vật thể nhỏ, băng giá trong khu vực này – bao gồm hàng trăm nghìn vật thể có chiều rộng lớn hơn 60 dặm (100 km). Một số vật thể, bao gồm Sao Diêm Vương, có chiều rộng hơn 600 dặm (1.000 km). Ngoài đá và nước đá, các vật thể trong vành đai Kuiper còn chứa nhiều hợp chất đông lạnh khác như amoniac và mêtan.
Tương tự như vành đai tiểu hành tinh, vành đai Kuiper là một vùng còn sót lại từ lịch sử ban đầu của hệ mặt trời. Giống như vành đai tiểu hành tinh, nó cũng được hình thành bởi một hành tinh khổng lồ, mặc dù nó giống một đĩa dày (giống như một chiếc bánh rán) hơn là một vành đai mỏng.
Không nên nhầm lẫn vành đai Kuiper với Đám mây Oort, một vùng xa hơn nhiều của các thiên thể băng giá giống sao chổi bao quanh hệ mặt trời, bao gồm cả vành đai Kuiper. Cả Đám mây Oort và vành đai Kuiper đều được cho là nguồn gốc của sao chổi.
Vành đai Kuiper thực sự là một ranh giới trong không gian – đây là nơi mà chúng ta vẫn đang bắt đầu khám phá và hiểu biết của chúng ta vẫn đang trong quá trình phát triển.
Người cùng tên
Vùng này được đặt theo tên nhà thiên văn học Gerard Kuiper, người đã công bố một bài báo khoa học vào năm 1951 suy đoán về các vật thể ngoài Sao Diêm Vương. Nhà thiên văn học Kenneth Edgeworth cũng đã đề cập đến các vật thể ngoài Sao Diêm Vương trong các bài báo ông công bố vào những năm 1940, và do đó đôi khi nó được gọi là Vành đai Edgeworth-Kuiper. Một số nhà nghiên cứu thích gọi nó là Vùng xuyên Sao Hải Vương, và gọi các vật thể Vành đai Kuiper (KBO) là các vật thể xuyên Sao Hải Vương, hay TNO.
Dù bạn thích thuật ngữ nào thì vành đai này cũng chiếm một thể tích rất lớn trong hệ mặt trời của chúng ta và những thế giới nhỏ bé nằm trong vành đai này có rất nhiều điều muốn nói với chúng ta về lịch sử ban đầu.
Kích thước và khoảng cách
Vành đai Kuiper là một trong những cấu trúc lớn nhất trong hệ mặt trời của chúng ta – những cấu trúc khác là Đám mây Oort, nhật quyển và từ quyển của Sao Mộc. Hình dạng tổng thể của nó giống như một đĩa phồng lên hoặc bánh rán. Rìa bên trong của nó bắt đầu từ quỹ đạo của Sao Hải Vương, cách Mặt trời khoảng 30 AU. (1 AU, hay đơn vị thiên văn, là khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời.) Vùng chính bên trong của Vành đai Kuiper kết thúc cách Mặt trời khoảng 50 AU. Chồng lên rìa ngoài của phần chính của Vành đai Kuiper là một vùng thứ hai được gọi là đĩa phân tán, kéo dài ra ngoài đến gần 1.000 AU, với một số thiên thể trên các quỹ đạo thậm chí còn xa hơn nữa.
Cho đến nay, hơn 2.000 vật thể xuyên Sao Hải Vương đã được các nhà quan sát lập danh mục, chỉ đại diện cho một phần nhỏ trong tổng số các vật thể mà các nhà khoa học cho là có ngoài kia. Trên thực tế, các nhà thiên văn học ước tính có hàng trăm nghìn vật thể trong khu vực có chiều rộng lớn hơn 60 dặm (100 km) hoặc lớn hơn. Tuy nhiên, tổng khối lượng của tất cả các vật chất trong Vành đai Kuiper được ước tính không quá 10% khối lượng Trái Đất.
Sự hình thành và nguồn gốc
Các nhà thiên văn học cho rằng các vật thể băng giá của vành đai Kuiper là tàn tích còn sót lại từ quá trình hình thành hệ mặt trời. Tương tự như mối quan hệ giữa vành đai tiểu hành tinh chính và Sao Mộc, đây là vùng các vật thể có thể đã kết hợp lại với nhau để tạo thành một hành tinh nếu Sao Hải Vương không ở đó. Thay vào đó, lực hấp dẫn của Sao Hải Vương đã khuấy động vùng không gian này quá nhiều khiến các vật thể băng giá nhỏ ở đó không thể hợp nhất thành một hành tinh lớn.
Lượng vật chất trong vành đai Kuiper ngày nay có thể chỉ là một phần nhỏ so với những gì ban đầu ở đó. Theo một lý thuyết được hỗ trợ tốt, quỹ đạo thay đổi của bốn hành tinh khổng lồ (Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương) có thể đã khiến hầu hết vật chất ban đầu – có thể gấp 7 đến 10 lần khối lượng Trái Đất – bị mất.
Ý tưởng cơ bản là vào đầu lịch sử của hệ mặt trời, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương bị buộc phải quay xa Mặt Trời hơn do sự dịch chuyển trong quỹ đạo của Sao Mộc và Sao Thổ. Khi Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương trôi xa hơn ra ngoài, chúng đi qua đĩa dày đặc gồm các vật thể băng nhỏ còn sót lại sau khi các hành tinh khổng lồ hình thành. Quỹ đạo của Sao Hải Vương là xa nhất và lực hấp dẫn của nó đã bẻ cong đường đi của vô số vật thể băng vào bên trong về phía các hành tinh khổng lồ khác. Cuối cùng, Sao Mộc đã đẩy hầu hết các vật thể băng này vào các quỹ đạo cực kỳ xa (để hình thành Đám mây Oort) hoặc ra khỏi hệ mặt trời hoàn toàn. Khi Sao Hải Vương ném các vật thể băng về phía mặt trời, điều này khiến quỹ đạo của chính nó trôi xa hơn nữa và ảnh hưởng hấp dẫn của nó đã buộc các vật thể băng còn lại vào phạm vi các vị trí mà chúng ta tìm thấy chúng trong Vành đai Kuiper.
Ngày nay, vành đai Kuiper đang dần bị xói mòn. Các vật thể vẫn ở đó thỉnh thoảng va chạm, tạo ra các vật thể nhỏ hơn bị phân mảnh bởi vụ va chạm, đôi khi là sao chổi và cả bụi bị gió mặt trời thổi bay khỏi hệ mặt trời.
Cấu trúc và đặc điểm
Vành đai Kuiper là một khối không gian khổng lồ hình bánh rán trong hệ mặt trời bên ngoài. Mặc dù có nhiều thiên thể băng giá trong khu vực này mà chúng ta thường gọi là Vật thể vành đai Kuiper (KBO) hoặc vật thể ngoài Sao Hải Vương (TNO), nhưng chúng khá đa dạng về kích thước, hình dạng và màu sắc. Và quan trọng là chúng không phân bố đều trong không gian – khi các nhà thiên văn học bắt đầu phát hiện ra chúng vào đầu những năm 1990, một trong những điều ngạc nhiên ban đầu là KBO có thể được nhóm lại theo hình dạng và kích thước quỹ đạo của chúng. Điều này khiến các nhà khoa học hiểu rằng có một số nhóm hoặc quần thể riêng biệt của những vật thể này có quỹ đạo cung cấp manh mối về lịch sử của chúng. Một vật thể thuộc loại nào có liên quan rất nhiều đến cách nó tương tác với lực hấp dẫn của Sao Hải Vương theo thời gian.
Hầu hết các vật thể trong vành đai Kuiper đều được tìm thấy ở phần chính của vành đai hoặc trong đĩa phân tán:
KBO cổ điển
Một phần lớn các KBO quay quanh Mặt trời trong cái gọi là Vành đai Kuiper cổ điển. Thuật ngữ “cổ điển” ám chỉ thực tế là, trong số các KBO, các vật thể này có quỹ đạo giống nhất với ý tưởng ban đầu hoặc cổ điển về Vành đai Kuiper được mong đợi sẽ như thế nào trước khi các nhà thiên văn học thực sự bắt đầu tìm thấy các vật thể ở đó. (Dự kiến là, nếu có các vật thể ngoài Sao Hải Vương, chúng sẽ ở trong các quỹ đạo tương đối tròn không bị nghiêng quá nhiều so với mặt phẳng của các hành tinh. Thay vào đó, nhiều KBO được phát hiện có quỹ đạo hình elip và nghiêng đáng kể. Do đó, ở một mức độ nào đó, phân loại KBO vẫn phản ánh sự hiểu biết đang phát triển của chúng ta về vùng xa xôi này của hệ mặt trời.)
Có hai nhóm vật thể chính trong vành đai Kuiper cổ điển, được gọi là “lạnh” và “nóng”. Các thuật ngữ này không đề cập đến nhiệt độ – thay vào đó, chúng mô tả quỹ đạo của các vật thể, cùng với mức độ ảnh hưởng của lực hấp dẫn của Sao Hải Vương lên chúng.
Tất cả các KBO cổ điển đều có khoảng cách trung bình tương tự từ Mặt trời trong khoảng từ 40 đến 50 AU. Các KBO cổ điển lạnh có quỹ đạo tương đối tròn không nghiêng nhiều so với mặt phẳng của các hành tinh; các KBO cổ điển nóng có quỹ đạo hình elip và nghiêng hơn (mà các nhà thiên văn học gọi là lệch tâm và nghiêng). Điều này có nghĩa là các KBO lạnh dành phần lớn thời gian của chúng ở khoảng cách gần như nhau từ Mặt trời, trong khi các KBO nóng di chuyển trên một phạm vi khoảng cách lớn hơn từ Mặt trời (có nghĩa là, ở một số phần quỹ đạo của chúng, chúng gần Mặt trời hơn và đôi khi chúng xa hơn).
Sự khác biệt giữa hai loại thiên thể này trong vành đai Kuiper cổ điển có liên quan đến Sao Hải Vương. Các KBO cổ điển lạnh có quỹ đạo không bao giờ đến gần Sao Hải Vương, và do đó chúng vẫn “mát mẻ” và không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của hành tinh khổng lồ này. Quỹ đạo của chúng có thể không di chuyển nhiều trong hàng tỷ năm. Ngược lại, các KBO cổ điển nóng đã có tương tác với Sao Hải Vương trong quá khứ (tức là với lực hấp dẫn của hành tinh khổng lồ này). Những tương tác này đã bơm năng lượng vào quỹ đạo của chúng, khiến chúng giãn ra thành hình elip và nghiêng chúng một chút ra khỏi mặt phẳng của các hành tinh.
KBO cộng hưởng
Một số lượng đáng kể KBO nằm trong các quỹ đạo được kiểm soát chặt chẽ bởi Sao Hải Vương. Chúng quay quanh quỹ đạo cộng hưởng với hành tinh khổng lồ, nghĩa là quỹ đạo của chúng nằm trong một mô hình ổn định, lặp lại với Sao Hải Vương. Các KBO cộng hưởng này hoàn thành một số quỹ đạo cụ thể trong cùng khoảng thời gian mà Sao Hải Vương hoàn thành một số quỹ đạo cụ thể (nói cách khác, là một tỷ lệ). Có một số nhóm này, hoặc cộng hưởng – 1: 1 (phát âm là “một đến một”), 4: 3, 3: 2 và 2: 1. Ví dụ, Sao Diêm Vương nằm trong cộng hưởng 3: 2 với Sao Hải Vương, nghĩa là nó quay quanh Mặt Trời hai lần cho mỗi ba lần Sao Hải Vương quay quanh.
Trên thực tế, có đủ các vật thể trên quỹ đạo có cộng hưởng 3:2 này, cùng với sao Diêm Vương, đến mức các nhà thiên văn học đã xếp chúng vào một loại riêng trong số các KBO cộng hưởng: plutino.
Đĩa phân tán
Đĩa phân tán là một vùng trải dài xa hơn nhiều so với phần chính của vành đai Kuiper. Đây là nơi chứa các vật thể đã bị Sao Hải Vương phân tán vào các quỹ đạo có hình elip cao và nghiêng nhiều so với mặt phẳng của các hành tinh. Nhiều vật thể đĩa phân tán có quỹ đạo nghiêng hàng chục độ. Một số mạo hiểm cách Mặt trời hàng trăm AU và cao hơn mặt phẳng của các hành tinh tại điểm xa nhất trong quỹ đạo của chúng, trước khi rơi trở lại điểm gần nhất gần quỹ đạo của Sao Hải Vương. Quỹ đạo của nhiều vật thể trong đĩa phân tán vẫn đang tiến hóa chậm, với các vật thể ở đây bị mất dần theo thời gian, so với vành đai Kuiper cổ điển, nơi quỹ đạo ổn định hơn.
Đĩa phân tán này tạo cho vành đai Kuiper cổ điển hình bánh rán một phạm vi rộng hơn và dày hơn nhiều. Một số nhà thiên văn học nói về hai vùng này như những vùng riêng biệt, mặc dù ranh giới của chúng chồng lên nhau và được liên kết với nhau theo một số cách. Đặc biệt, các vật thể ở cả hai vùng được cho là đã kết thúc ở đó do sự di chuyển của Sao Hải Vương từ quỹ đạo ban đầu gần hơn của nó đến nơi hiện tại.
Eris là một ví dụ về một vật thể trong đĩa phân tán và là thành viên lớn nhất được biết đến của quần thể này.
Các gia đình bổ sung
Hầu hết các vật thể trong vành đai Kuiper được tìm thấy ở phần chính của vành đai hoặc trong đĩa phân tán, nhưng cũng có một vài họ vật thể bổ sung quay quanh Mặt trời bên trong và bên ngoài vành đai. Những nhóm vật thể bổ sung này có thể ban đầu đến từ vành đai Kuiper, nhưng đã bị lực hấp dẫn của Sao Hải Vương hoặc có thể là một hành tinh lớn khác kéo ra khỏi các vùng chính.
Đối tượng tách rời
Các vật thể tách biệt của vành đai Kuiper có quỹ đạo không bao giờ đến gần Mặt trời hơn khoảng 40 AU. Điều này khiến chúng khác biệt với hầu hết các KBO khác, chúng dành ít nhất một phần quỹ đạo của chúng trong khu vực từ 40 đến 50 AU tính từ Mặt trời. Vì quỹ đạo của chúng không đến gần khoảng cách của Sao Hải Vương so với Mặt trời (~30 AU), các vật thể tách biệt dường như không có khả năng bị kéo ra khỏi vành đai Kuiper do tương tác với hành tinh khổng lồ này. Các nhà khoa học cho rằng có khả năng một số lực khác chịu trách nhiệm, chẳng hạn như một hành tinh khổng lồ chưa được phát hiện (ở một quỹ đạo rất xa), lực hấp dẫn của các ngôi sao đi qua hoặc nhiễu loạn hấp dẫn khi vành đai Kuiper hình thành từ lâu.
Sedna là một ví dụ về KBO tách biệt. Khoảng cách gần nhất của nó với Mặt trời là 76 AU, trong khi khoảng cách xa nhất của nó là ~1200 AU.
Nhân Mã
Centaurs là các vật thể có quỹ đạo di chuyển qua không gian giữa quỹ đạo của Sao Mộc và Sao Hải Vương. Các vật thể trong các quỹ đạo này tương tác mạnh với lực hấp dẫn của các hành tinh khổng lồ. Do những cuộc chạm trán hấp dẫn mạnh mẽ này, hầu hết đều bị đẩy ra khỏi hệ mặt trời hoặc bị đẩy vào hệ mặt trời bên trong, nơi chúng trở thành sao chổi hoặc đâm vào Mặt trời và các hành tinh.
Quá trình này – quá trình loại bỏ các Centaur – đang diễn ra, mất hàng chục triệu năm đối với vật thể Centaur điển hình. Do đó, thực tế là có các Centaur xung quanh ngày nay là bằng chứng cho thấy chúng đang được cung cấp tích cực từ một nơi nào đó khác. Các nhà thiên văn học cho rằng lời giải thích có khả năng nhất là chúng là những vật thể thoát ra tương đối gần đây từ vành đai Kuiper. Trên thực tế, Centaur được hiểu là các vật thể phân tán, giống như những vật thể trong đĩa phân tán – sự khác biệt là các Centaur đã bị phân tán gần Mặt trời hơn bởi Sao Hải Vương, thay vì xa hơn.
Vị trí của sao Diêm Vương trong vành đai Kuiper
Năm 1930, Sao Diêm Vương trở thành thiên thể đầu tiên của vành đai Kuiper được phát hiện. Nó được tìm thấy vào thời điểm trước khi các nhà thiên văn học có lý do để mong đợi một quần thể lớn các thế giới băng giá bên ngoài Sao Hải Vương. Ngày nay, nó được gọi là “Vua của vành đai Kuiper” – và nó là thiên thể lớn nhất trong khu vực, mặc dù một thiên thể khác có kích thước tương tự, được gọi là Eris, có khối lượng lớn hơn một chút. Quỹ đạo của Sao Diêm Vương được cho là cộng hưởng với quỹ đạo của Sao Hải Vương, nghĩa là quỹ đạo của Sao Diêm Vương nằm trong một mô hình ổn định, lặp lại với Sao Hải Vương. Cứ mỗi ba quỹ đạo mà Sao Hải Vương hoàn thành, Sao Diêm Vương lại thực hiện hai quỹ đạo. Trong tình huống này, Sao Diêm Vương không bao giờ đến đủ gần Sao Hải Vương để bị ảnh hưởng nhiều bởi lực hấp dẫn của nó. Trên thực tế, mặc dù quỹ đạo của nó cắt qua quỹ đạo của Sao Hải Vương, Sao Diêm Vương lại gần Sao Thiên Vương hơn về mặt vật lý so với Sao Hải Vương.
Các vệ tinh và sao đôi vành đai Kuiper
Một số lượng khá lớn các KBO hoặc có mặt trăng – tức là các thiên thể nhỏ hơn đáng kể quay quanh chúng – hoặc là các vật thể nhị phân. Các sao đôi là các cặp vật thể có kích thước hoặc khối lượng tương đối giống nhau quay quanh một điểm – một tâm khối lượng chung – nằm giữa chúng. Một số sao đôi thực sự chạm vào nhau, tạo thành một dạng hình hạt đậu phộng, tạo ra thứ được gọi là sao đôi tiếp xúc.
Vật thể vành đai Kuiper nhỏ có tên là Arrokoth là một sao đôi tiếp xúc. Nó được nhóm khoa học New Horizons của NASA phát hiện vào năm 2014, sử dụng Kính viễn vọng không gian Hubble. Tàu vũ trụ New Horizons của NASA đã bay ngang qua Arrokoth vào ngày 1 tháng 1 năm 2019, chụp những hình ảnh cho thấy một vật thể có hai thùy trông giống như một người tuyết đỏ bị dẹt một phần. Arrokoth là vật thể xa nhất và nguyên thủy nhất từng được tàu vũ trụ khám phá.
Các hành tinh lùn như Sao Diêm Vương, Eris, Haumea và Makemake đều là những thiên thể thuộc vành đai Kuiper có vệ tinh.
Một điều khiến các KBO nhị phân đặc biệt thú vị là hầu hết chúng có thể là những vật thể cực kỳ cổ xưa hoặc nguyên thủy, có rất ít thay đổi kể từ khi hình thành. Những ý tưởng khác nhau về cách các cặp này hình thành đòi hỏi nhiều vật thể hơn so với vành đai Kuiper ngày nay dường như chứa đựng. Một ý tưởng hàng đầu là các sao đôi có thể là kết quả của các vụ va chạm tốc độ thấp giữa các KBO, cho phép chúng sống sót sau tác động và dính vào nhau do lực hấp dẫn chung của chúng. Những vụ va chạm như vậy có thể phổ biến hơn nhiều hàng tỷ năm trước khi hầu hết các KBO nằm trên các quỹ đạo tương tự, tròn hơn và gần với mặt phẳng của các hành tinh (gọi là hoàng đạo). Ngày nay, những vụ va chạm như vậy hiếm hơn nhiều. Chúng cũng có xu hướng mang tính hủy diệt, vì rất nhiều KBO hiện đang ở trên các quỹ đạo nghiêng hoặc hình elip, nghĩa là chúng va vào nhau với lực lớn hơn và vỡ ra.
Mối quan hệ với sao chổi
Vành đai Kuiper là nguồn sao chổi, nhưng không phải là nguồn duy nhất. Ngày nay, vành đai Kuiper được cho là đang tự xói mòn rất chậm. Các vật thể ở đó thỉnh thoảng va chạm, với các mảnh vỡ va chạm tạo ra các KBO nhỏ hơn (một số trong đó có thể trở thành sao chổi), cũng như bụi bị gió mặt trời thổi bay ra khỏi hệ mặt trời. Các mảnh vỡ do các KBO va chạm có thể bị lực hấp dẫn của Sao Hải Vương đẩy vào các quỹ đạo đưa chúng về phía mặt trời, nơi Sao Mộc tiếp tục dồn chúng vào các vòng lặp ngắn kéo dài 20 năm hoặc ít hơn. Chúng được gọi là sao chổi họ Sao Mộc chu kỳ ngắn. Với các chuyến đi thường xuyên vào hệ mặt trời bên trong, hầu hết có xu hướng cạn kiệt băng dễ bay hơi của chúng khá nhanh và cuối cùng trở thành sao chổi ngủ đông hoặc chết, với ít hoặc không có hoạt động nào có thể phát hiện được.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một số tiểu hành tinh gần Trái Đất thực chất là sao chổi đã cháy hết, và hầu hết chúng sẽ bắt đầu ở vành đai Kuiper. Nhiều sao chổi đâm vào Mặt Trời hoặc các hành tinh. Những sao chổi có cuộc chạm trán gần với Sao Mộc có xu hướng bị xé toạc hoặc bị ném ra khỏi hệ mặt trời hoàn toàn.
Nguồn sao chổi khác là Đám mây Oort, nơi xuất phát của hầu hết các sao chổi chu kỳ dài trên quỹ đạo nghiêng lớn.
