Vành Đai Kuiper là một vùng rộng lớn trong những nhánh ngoài lạnh lẽo của hệ mặt trời, bên ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương, đôi khi còn được gọi là "vùng thứ 3" của hệ mặt trời. Các nhà thiên văn học cho rằng có hàng triệu thiên thạch nhỏ, lạnh trong vùng này - trong đó có hàng trăm nghìn thiên thạch rộng hơn 100km. Một số, trong đó có Sao Diêm Vương, rộng trên 1.000 km. Ngoài đá và nước đóng băng, các vật thể trong Vành Đai Kuiper còn gồm rất nhiều các hợp chất đóng băng khác như amoniac và metan.
Vùng này được đặt theo tên của nhà thiên văn Gerard Kuiper. người đã xuất bản một bài báo năm 1951 đã ức đoán về các vật thể (thiên thạch) bên ngoài Sao Diêm Vương này. Nhà thiên văn học Kenneth Edgeworth cũng nhắc đến các vật thể này trong những bài báo ông xuất bản vào thập niên 40 và do đó đôi khi nó còn được gọi là Vành Đai Edgeworth-Kuiper. Một số nhà nghiên cứu thích gọi nó là Vùng Đi Qua Sao Hải Vương (Trans-Neptunian Region) và gọi là các thiên thạch Vành Đai Kuiper (KBOs) là các thiên thạch đi qua Sao Hải Vương hay TNOs.
Cho dù thuật ngữ nào bạn thích hơn đi chăng nữa thì vành đai này là chiến một khối rất lớn trong hệ hành tinh của chúng ta và các hành tinh nhỏ trú ngụ trong đó cho ta biết rất nhiều điều về thời kỳ đầu lịch sử của hệ mặt trời.
Hình ảnh các thiên thạch Kuiper.
Kích thước và khoảng cách
Vành Đai Kuiper là một trong những công trình kiến trúc to lớn nhất trong hệ mặt trời của chúng ta - những công trình khác có Đám Mây Oort, nhật quyển và từ quyển của Sao Mộc. Toàn bộ hình dạng của nó giống như một chiếc đĩa bị phồng lên hoặc chiếc bánh dán. Vành bên trong của nó bắt đầu ở quỹ đạo của Sao Hải Vương, cách Mặt Trời khoảng 30 đơn vị thiên văn (mỗi đơn vị thiên văn là khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời). Vùng chính, bên trong của Vành đai Kuiper kết thúc cách Mặt Trời khoảng 50 đơn vị thiên văn. Phần chính bên ngoài, gối lên nhau của vành đai Kuiper là một vùng thứ hai gọi là đĩa thưa, nó tiếp tục trải rộng ra bên ngoài gần 1.000 đơn vị thiên văn với một số thiên thể trên các quỹ đạo thậm chí còn di chuyển vượt ra xa hơn.
Cho đến nay, hơn 2000 thiên thạch (vật thể) đi qua Sao Hải Vương đã được các nhà thiên văn ghi nhận, miêu tả ở đây chỉ là một phần rất nhỏ trong tổng số các vật thể mà các nhà khoa học cho rằng chúng tồn tại ở đó. Thực tế là, các nhà thiên văn học ước tính có hàng trăm nghìn vật thể trong vùng này rộng hơn 100 km. Tuy nhiên, tổng khối lượng của tất cả các vật chất trong Vành Đai Kuiper được ước tính là chiến 10% khối lượng Trái Đất.
Sự hình thành/nguồn gốc
Các nhà thiên văn học cho rằng các vật thể đóng băng của Vành Đai Kuiper những tàn dư còn lại từ sự hình của hệ mặt trời. Giống như mối quan hệ giữa vành đai thiên thạch chính và Sao Mộc, nó là một vùng các vật thể có đáng lẽ đã có thể kết hợp lại với nhau tạo thành một hành tinh nếu Sao Hải Vương không có mặt ở đó. Thay vào đó, lực hút của Sao Hải Vương đã khuấy động vùng vũ trụ này lên nhiều đến mức các vật thể lạnh, nhỏ ở đó không thể kết hợp lại để tạo thành một hành tinh lớn.
Số lượng vật chất trong Vành Đai Kuiper ngày nay có lẽ chỉ là một phần nhỏ của những gì đã tồn tại ở đó trước kia. Theo một giả thuyết được nhiều ủng hộ nhất, các quỹ đạo xê dịch của bốn hành tinh lớn (Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương) có lẽ đã tạo ra phần lớn các vật chất ban đầu - chắc chắn gấp 7 đến 10 lần khối lượng của Trái Đất - đã bị biến mất.
Quan niệm cơ bản rằng thời kỳ đầu của lịch sử hệ mặt trời, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương buộc phải có quỹ đạo quay xa Mặt Trời hơn vì các quỹ đạo của Sao Mộc và Sao Thổ. Khi bị trôi dạt ra phía ngoài, chúng đi ngang qua đĩa dày đặc các thiên thạch nhỏ, lạnh bị bỏ lại sau khi các hành tinh lớn được hình thành. Quỹ đạo của Sao Hải Vương di chuyển xa nhất và lực hút của nó làm cong những đường di chuyển của vô vàn các thiên thể lạnh lẽo di chuyển vào trong hướng về các hành tinh lớn khác. Sao Mộc đã bắn phần lớn các thiên thạch lạnh này hoặc vào các quỹ đạo vô cùng xa (hình thành nên Đám Mây Oort) hoặc ra hoàn toàn ngoài hệ mặt trời. Khi Sao Hải Vương lại hất những thiên thạch lạnh này về phía mặt trời, điều này khiến cho quỹ đạo của chính nó thậm chí bị trôi dạt xa thêm và tác động lực hút của nó hút những thiên thạch lạnh còn lại vào nhiều vị trí khác nhau nơi ta tìm thấy chúng trong Vành Đai Kuiper.
Ngày nay, Vành Đai Kuiper bản thân đã dần bị xói mòn. Các thiên thạch còn lại ở đó thỉnh thoảng va chạm nhau, tạo ra những thiên thạch nhỏ hơn bị vỡ vụn bởi sự va chạm, đôi khi các sao chổi và cả bụi cũng bị thổi bay ra ngoài hệ mặt trời bởi gió mặt trời.
Cấu tạo và đặc điểm
Vành Đai Kuiper được miêu tả là một khối khí hình chiếc đĩa khổng lồ ở bên ngoài hệ mặt trời. Trong khi nhiều thiên thạch đóng băng trong vùng này mà đại thể chúng ta vẫn gọi là Các Vật Thể Vành Đai Kuiper (KBOs) hay các vật di chuyển qua Sao Hải Vương (TNOs), thì chúng khá khác nhau về kích thước, hình dạng và màu sắc. Và, quan trọng là chúng không được phân bố đều trong vũ trụ - các nhà thiên văn học đã từng bắt tay vào nghiên cứu chúng trong đầu thập niên 90, một trong những điều ngạc nhiên ban đầu là Các Vật Thể Vành Đau Kuiper có thể được phân loại dựa theo hình dạng và kích thước quỹ đạo của chúng. Điều này khiến cho các nhà khoa học hiểu được rằng có một vài nhóm riêng biệt hay những cư dân trong số chúng có quỹ đạo cung cấp những manh mối về lịch sử của chúng. Một thiên thạch được xếp vào nhóm nào có liên quan nhiều đến việc chúng đã tương tác với lực hút của Sao Hải Vương theo thời gian thế nào.
Phần lớn các vật thể trong Vành Đai Kuiper được tìm thấy trong phần chính của chính vành đai này, nó nằm trong đĩa thưa:
Vành Đai Kuiper cổ điển
Một phần rộng lớn của Các Vật Thể Vành Đai Kuiper có quỹ đạo quay quanh Mặt Trời ở nơi gọi là Vành Đai Kuiper cổ điển. Thuật ngữ "cổ điển" để chỉ thực thế rằng trong số Các Vật Thể Vành Đai Kuiper, những vật thể này có quỹ đạo giống với quỹ đạo gốc nhất hay cổ điển nhất, theo hình dung về những gì mà Vành Đai Kuiper được cho rằng nó như vậy, trước khi các nhà thiên văn thực sự bắt tay vào tìm kiếm cacs vật thể tại đó. (Sự ước tính đó là, nếu có các vật thể bên ngoài Sao Hải Vương thì chúng sẽ nằm trong các quỹ đạo tương đối tròn không nghiêng quá nhiều so với mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh. Thay vào đó, nhiều Vật Thể Vành Đai Kuiper được tìm thấy có những quỹ đọa hình trái xoan (elip) và nghiêng đáng kể. Do vậy, trong chừng mực nào đó, sự phân loại Các Vật Thể Vành Đai Kuiper vẫn phản ánh sự hiểu biết của chúng ta về vùng xa xôi của hệ mặt trời này đang tiến triển.
Có hai nhóm vật thể chính trong Vành Đai Kuiper cổ điển, được gọi là "lạnh" và "nóng." Các thuật ngữ này không ám chỉ nhiệt độ - thay vào đó, chúng mô tả quỹ đạo của các vật thể này, cùng với mức độ ảnh hưởng lực hút của Sao Hải Vương đã tác động lên chúng.
Tất cả các Vật Thể Vành Đai Kuiper cổ điển đều có khoảng cách trung bình với Mặt Trời giống nhau khoảng từ 40 tới 50 đơn vị thiên văn. Các Vật Thể Vành Đai Kuiper lạnh có các quỹ đạo tương đối tròn không nghiêng quá nhiều khỏi mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh. Các Vật Thể Vành Đai Kuiper nóng có quỹ đạo hình trái xoan (elip) và nghiêng hơn (mà các nhà thiên văn gọi là lệch tâm và nghiêng dốc). Điều này có nghĩa là Các Vật Thể Vành Đai Kuiper lạnh dành phần lớn cuộc đời của chúng ở một khoảng cách giống nhau với Mặt Trời trong khi Các Vật Thể Vành Đai Kuiper nóng lại đi lang thang cách Mặt Trời ở nhiều khoảng cách khác nhau (nghĩa là, trong một vài quỹ đạo của chúng, chúng gần Mặt Trời hơn, đôi khi chúng lại cách xa hơn).
Những sự khác nhau giữa hai nhóm thiên thạch trong Vành Đai Kuiper cổ điển ày mọi thứ đều liên quan đến Sao Hải Vương. Các Vật Thể Vành Đai Kuiper cổ điển lạnh có quỹ đạo không bao giờ gần với Sao Hải Vương và do vậy chúng vẫn còn "lạnh" và không bị lực hút của hành tinh này làm đảo lộn. Quỹ đạo của chúng chắc chắn không thay đổi nhiều suốt hàng triệu năm qua. Ngược lại, Các Vật Thể Vành Đai Kuiper cổ điển nóng có những sự tương tác với Sao Hải Vương trong quá khưa (nghĩa là, với lực hút của hành tinh này). Những sự tương tác này bơm năng lượng vào quỹ đạo của chúng, kéo dài chúng thành hình elip và làm chúng nghiêng một chút khỏi mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh.
Vành đai Kuiper cộng hưởng
Một số lượng đáng chú ý Các Vật Thể Vành Đai Kuiper bị kiểm soát chặt chẽ bởi Sao Hải Vương. Chúng quay theo quỹ đạo cộng hưởng với hành tinh khổng lồ này, nghĩa là các quỹ đạo của chúng theo kiểu ổn định, tuần hoàn với quỹ đạo của Sao Hải Vương. Các Vật Thể Vành Đai Kuiper cộng hưởng này hoàn thành số vòng quay riêng bằng tương tự mức thời gian mà Sao Hải Vương hoàn thành một vòng quay riêng (nói cách khác là tỷ lệ). Có một vài nhóm như thế này hay những cộng hưởng - 1:1 (đọc là một -một), 4:3, 3:2 và 2:1. Ví dụ như, Sao Diêm Vương quay cộng hưởng với Sao Hải Vương với tỷ lệ 3:2, nghĩa là cứ mỗi khi Sao Hải Vương hoàn thành 3 vòng (lần) quay quanh Mặt Trời thì Sao Diêm Vương hoàn thành 2 vòng.
Thực tế là, có khá nhiều các thiên thạch có quỹ đạo quay theo tỷ lệ cộng hưởng 3:2 này, cùng với Sao Diêm Vương mà các nhà khoa học đã phân chúng thành một nhóm riêng trong Vành Đai Kuiper cộng hưởng, nhóm plutinos (nhóm các vật thể cộng hưởng với Sao Diêm Vương).
Đĩa thưa
Đĩa thưa là một vùng kéo dài qua cả phần chính của Vành Đai Kuiper và là nơi trú ngụ của các thiên thạch đã bị Sao Hải Vương rắc vào quỹ đạo hình elip lớn và nghiêng rất nhiều so với mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh của nó. Nhiều thiên thạch trong đĩa thưa có quỹ đạo bị nghiêng tới hàng chục độ. Một số mạo hiểm cách Mặt Trời hàng trăm đơn vị thiên văn và nhô cao trên mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh tại điểm xa nhất trong quỹ đạo của chúng trước khi rơi trở lại vào điểm gần quỹ đạo Sao Hải Vương nhất. Các quỹ đạo của nhiều thiên thạch trong đĩa thưa vẫn tiến hoa từ từ cùng với các thiên thạch đang dần bị mất đi theo thời gian, so với Vành Đai Kuiper cổ điển, nơi các quỹ đạo ổn định hơn.
Đĩa thưa khiến cho Vành Đai Kuiper có hình chiếc bánh rán có phạm vi rộng hơn và dày hơn nhiều. Một số nhà thiên văn học cho rằng hai vùng này là hai vùng tách biệt dù các đường ranh giới của chúng gối lên nhau và chúng có liên kết với nhau theo nhiều phương diện khác nhau. (Đặc biệt là, các thiên thạch ở cả hai vùng đều được cho là đã kết thúc ở đó là do dự di cư của Sao Hải Vương, từ vị trí ban đầu, quỹ đạo gần với vị trí hiện thời hơn).
Eris là một ví dụ về một thiên thạch trong vùng đĩa thưa (thực tế nó là thành viên lớn nhất được biết đến trong cư dân ở đây).
Những nhóm thiên thạch phụ
Phần lớn các vật thể trong Vành Đai Kuipe được tìm thấy trong phần chính của vành đai này hoặc trong đĩa thưa nhưng cũng có một vài nhóm (gia đình) thiên thạch phụ có quỹ đạo quay quanh nội và ngoại tiếp mặt trời. Những nhóm thiên thạch phụ này có thể có nguồn gốc từ Vành Đai Kuiper ban đầu nhưng đã bị kéo ra ngoài những vùng chính bởi lực hút của Sao Hải Vương hoặc có lẽ bởi các hành tinh khổng lồ khác.
Những thiên thạch tách biệt
Các thiên thạch tách biệt Vành Đai Kuiper có quỹ đạo không bao giờ quay gần Mặt Trời quá 40 đơn vị thiên văn. Điều này đặt chúng tách biệt với Các Vật Thể Vành Đai Kuiper, kéo dài ít nhất một phần các quỹ đạo của chúng trong phạm vi cách Mặt Trời từ 40 đến 50 đon vị thiên văn. Vì quỹ đạo của chúng không quay gần khoảng cách giữa Sao Hải Vương tới Mặt Trời (gần 30 đơn vị thiên văn) nên các thiên thạch tách biệt này dường như không chắc đã bị kéo ra khỏi Vành Đai Kuiper bởi những sự tác động qua lại với hành tinh khổng lồ này. Các nhà khoa học cho rằng chắc chắn một vài lực khác gây ra điều này, chẳng hạn như một hành tinh khổng lồ chưa được phát hiện ra (trong một quỹ đạo rất xa), lực hút của các ngôi sao lướt qua hay những sự xáo trộn về lực hút khi Vành Đai Kuiper đang được hình thành từ rất lâu về trước.
Sedna là một ví dụ về thiên thạch tách biệt trong Vành Đai Kuiper. Nó gần với Mặt trời nhất ở khoảng cách 76 đơn vị thiên văn trong khi di chuyển xa nhất ở khoảng cách gần 1200 đơn vị thiên văn.
Chòm sao nhân mã
Chòm sao nhân mã (Centaurs) là các thiên thạch có quy đạo di chuyển trong phạm vi không gian giữa các quỹ đạo của Sao Mộc và Sao Hải Vương. Trên những quỹ đạo này, chúng tương tác mạnh mẽ với lực hút của hai hành tinh khổng lồ này. Vì những tác động mạnh mẽ bởi lực hút này, chúng chịu số bạn hoặc bị hất ra khỏi hệ mặt trời hoặc bị đẩy vào vòng trong của hệ mặt trời nơi chúng trở thành các sao chổi hoặc đâm vào Mặt Trời và các hành tinh.
Quá trình này - sự thủ tiêu của Chòm sao nhân mã - vẫn đang tiếp diễn, mất hàng chục triệu năm để hình thành nên thiên thạch Nhân mã điển hình. Do đó, thực tế là ngày nay đó đây vẫn có chòm sao nhân mã là minh chứng rằng chúng đang được tiếp tế tích cực từ một nơi nào đó khác. Các nhà thiên văn học cho rằng lời giải thích thích hợp nhất là chúng là những thiên thạch thoát khỏi Vành Đai Kuiper khá gần đây. Thực tế là, Chòm sao nhân mã được hiểu là các thiên thạch được phân bố rải rác, giống các thiên thạch trong đĩa thưa - sự khác biệt ở chỗ Chòm sao nhân mã được rải rắc gần Mặt Trời bởi Sao Hải Vương hơn là rải rắc ra xa hơn.
Vị trí của Sao Diêm Vương trong Vành Đai Kuiper
Sao Diêm Vương là vật thể đầu tiên của Vành Đai Kuiper được phát hiện năm 1930, một khoảng thời gian trước khi các nhà thiên văn học có lý do để chắc rằng có một quần thể lớn các thiên thạch băng ở bên ngoài Sao Hải Vương. Ngày nay, nó được biết đến với tên "Vua của Vành Đai Kuiper" - Nó là thiên thạch lớn nhất trong vùng này cho dù có các thiên thạch khác cùng kích thước, tên là Eris nhưng khối lượng nhỏ hơn một chút. Quỹ đạo của Sao Diêm Vương cũng được cho là cộng hưởng với quỹ đạo của Sao Hải Vương, nghĩa là quỹ đạo của Sao Diêm Vương ổn định, tuần hoàn với kiểu quỹ đạo của Sao Hải Vương. Cứ mỗi khi Sao Hải Vương hoàn thành 3 vòng quỹ đạo thì Sao Diêm Vương xong hai vòng. Với trạng thái này, Sao Diêm Vương không bao giờ tiến lại Sao Hải Vương đủ gần để có thể bị chịu tác động bởi lực hút của nó. Thực tế là, dù quỹ đạo của nó đi ngang qua quỹ đạo của Sao Hải Vương thì Sao Diêm Vương trở nên gần Sao Thiên Vương hơn Sao Hải Vương theo luật tự nhiên.
Các mặt trăng và Hệ sao đôi của Vành Đai Kuiper
Khá nhiều Vật Thể Vành Đai Kuiper hoặc có các mặt trăng - nghĩa là, các thiên thạch nhỏ hơn đáng kể quay quanh chúng - hoặc có các hệ thiên thạch đôi. Hệ thiên thạch đôi là các cặp thiên thạch có kích thước hoặc khối lượng tương đối nhỏ cùng uqya quanh một điểm (cùng chia sẻ một trọng tâm) nằm giữa chúng. Một số hệ thiên thạch đôi thực sự là tiếp xúc với nhau, tạo nên hình dạng kiểu củ lạc, tạo nên cái chúng ta gọi là hệ thiên thạch đôi tiếp xúc nhau.
Sao Diêm Vương, Eris, Haumea và Quaoar tất cả là các thiên thạch Vành Đai Kuiper đều có mặt trăng. Các cuộc quan sát bằng kính thiên văn đưa ra mục tiêu chuyến du hành năm 2019 của tàu vũ trụ New Horizons (Những chân trời mới) của NASA, thiên thạch 2014 MU69, có lẽ là một hệ sao đôi.
Một điều tạo nên hệ sao đôi của Vành Đai Kuiper đặc biệt chú ý đó là phần lớn chúng có lẽ là các thiên thạch rất cổ xưa, hay nguyên thủy đã bị biến đổi chút ít kể từ khi được hình thành. Có rất nhiều quan điểm về việc các hệ sao đôi này hình thành như thế nào khi mà cần nhiều hơn số lượng các thiên thạch mà Vành Đai Kuiper hiện tại dường như có thể chứa. Một quan điểm hàng đầu là các hệ sao đôi này có lẽ là kết quả của các vụ va chạm tốc độ nhẹ giữa các thiên thạch Vành Đai Kuiper, chúng vẫn qua khỏi vụ va chạm này và kết hợp lại nhau do lực hút qua lại giữa chúng. Những vụ va chạm như thế này chắc chắn xảy ra thường xuyên nhiều hơn ở thời điểm hàng tỷ năm trước, khi mà phần lớn các thiên thạch Vành Đai Kuiper cùng quay trên những quỹ đạo giống nhau, chúng tròn hơn và gần với mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh hơn (gọi là đường hoàng đạo). Ngày nay, những vụ va chạm như thế hiếm hơn nhiều. Chúng cũng có chiều hướng hủy diệt, vì phần lớn các thiên thạch Vành Đai Kuiper di chuyển theo các quỹ đạo hiện giờ đều bị nghiêng hoặc có hình trái xoan, nghĩa là chúng va vào nhau với lực mạnh mẽ hơn và vỡ tan.
Mối liên quan đến các sao chổi
Vành Đai Kuiper là nơi khởi nguồn của các sao chổi nhưng không phải là nơi duy nhất. Ngày nay, Vành Đai Kuiper được cho là bản thân đang bị xói mòn đi rất chậm. Các thiên thạch thỉnh thoảng va chạm, với các vụn va chạm, tạo ra các thiên thạch nhỏ hơn trong Vành Đai Kuiper (một vài trong số chúng trở thành các sao chổi) cũng như các bụi bị thổi ra ngoài hệ mặt trời bởi gió mặt trời. Những mảnh vụn được sản sinh ra do va chạm với các thiên thạch Vành Đai Kuiper có thể bị lực hút của Sao Hải Vương đẩy vào các quỹ đạo đưa chúng về phía mặt trời, nơi mà Sao Mộc dồn thêm chúng vào thành những vành đai ngắn kéo dài trên dưới 20 năm. Chúng được gọi là gia đình các sao chổi - Sao Mộc vòng đời ngắn. Sau khi đã trải qua những chuyến đi thường xuyên vào phần hệ mặt trời bên trong, phần lớn chúng có chiều hướng hút các lớp băng dễ bay hơi khá nhanh và rốt cuộc trở nên không hoạt động hoặc tàn lụi, các sao chổi có ít hoặc có lực hút khó có thể nhận ra. Các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng một số thiên thạch gần Trái Đất thực sự đã đốt cháy hết các sao chổi và phần lớn trong số chúng xuất hiện đột ngột trong Vành Đai Kuipert. Nhiều sao chổi đâm vào Mặt Trời hoặc vào các hành tinh. Những sao chổi mà có những cuộc chạm trán gần Sao Mộc có chiều hướng bị xé toang ra hoặc hất hoàn toàn ra khỏi hệ mặt trời.
Nguồn gốc khác của các sao chổi là từ Đám Mây Oort, nơi mà phần lớn các sao chổi có vòng đời dài có độ nghiêng quỹ đạo lớn.
