天文學家利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡觀測了柯伊伯帶的三顆矮行星，發現了輕碳氫化合物和複雜分子。這些發現增強了我們對外太陽系天體的了解，並凸顯了詹姆斯-韋伯太空望遠鏡在太空探索方面的能力。

在這張藝術家的視覺圖中，新發現的類似行星的天體被命名為”塞德娜”，它位於已知太陽系的外圍。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院

柯伊伯帶是太陽系邊緣的廣大區域，有無數冰冷的天體，是科學發現的寶庫。柯伊伯帶天體（KBOs）有時也被稱為外海王星天體（TNOs），對這些天體的探測和定性使人們對太陽系的歷史有了新的認識。柯伊伯帶天體的佈局是重力流的指標，重力流塑造了太陽系，揭示了行星遷徙的動態歷史。自20世紀末以來，科學家一直渴望近距離觀察KBO，以進一步了解它們的軌道和組成。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的觀測結果

研究太陽系外的天體是詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）的眾多目標之一。利用韋伯望遠鏡的近紅外線分光計（NIRSpec）獲得的數據，一個國際天文學家小組觀測了柯伊伯帶的三顆矮行星：塞德娜（Sedna）、共工（Gonggong）和奎奧爾（Quaoar）。這些觀測結果揭示了它們各自軌道和組成方面的一些有趣現象，包括輕烴和複雜的有機分子，據信它們是甲烷輻照的產物。

這項研究由北亞利桑那大學天文學和行星科學教授約書亞-埃默里（Joshua Emery）領導。美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心（GSFC）、巴黎薩克雷大學天體物理空間研究所（Institut d’Astrophysique Spatiale）、平頭研究所（Pinhead Institute）、佛羅裡達太空研究所（佛羅裡達中央大學） 、洛威爾天文台（Lowell Observatory）、西南研究所（SwRI）、太空望遠鏡科學研究所（STScI）、美利堅大學（American University）和康乃爾大學（Cornell University）的研究人員也參與了這項研究。他們的論文預印本已在網路上發表，並正在接受伊卡洛斯的審稿。

自從上次飛越柯伊伯帶天體Arrokoth以來，新視野號任務一直在探索柯伊伯帶的天體，並進行日光層和天體物理觀測。資料來源：NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

柯伊伯帶探索史

儘管天文學和機器人探測器取得了長足的進步，但我們對外海王星區和柯伊伯帶的了解仍然有限。迄今為止，研究天王星、海王星及其主要衛星的唯一任務是旅行者2 號任務，它分別於1986 年和1989 年飛越了這些冰巨行星。此外，”新視野”號是第一個研究冥王星及其衛星的太空船（2015 年7 月），也是唯一一個在柯伊伯帶遇到天體的太空船，它在2019 年1 月1 日飛過名為”阿羅科斯”的柯伊伯天體。

天文學家對JWST 的期待

這是天文學家熱切期待JWST 發射的眾多原因之一。除了研究系外行星和宇宙中最早的星系之外，它強大的紅外線成像能力也被轉向了我們的後院，揭示了火星、木星及其最大衛星的新圖像。在研究中，埃默里和他的同事參考了韋伯獲得的柯伊伯帶三顆行星–塞德娜（Sedna）、共工（Gonggong）和奎奧爾（Quaoar）–的近紅外線數據。這些天體的直徑約為1,000 公里（620 英里），屬於國際天文學聯合會（IAU）的矮行星範疇。

關於矮行星的見解

天文學家對這些天體特別感興趣，因為它們的大小、軌道和成分。其他的跨海王星天體，如冥王星、鬩神星、北美洲等，其表面都保留了揮發性的冰（氮、甲烷等）。唯一的例外是米亞神星，它在一次巨大的撞擊中失去了揮發性物質（顯然）。天文學家因此希望觀察塞德娜、共工和奎奧爾表面是否也有類似的揮發物：

「先前的工作顯示它們可能會有。雖然它們的大小大致相同，但軌道卻截然不同。塞德娜是奧爾特雲的內層天體，近日點為76天文單位，遠日點接近1000天文單位；共工的軌道也非常橢圓，近日點為33天文單位，遠日點約為100天文單位；奎奧爾的軌道相對較圓，接近43天文單位。這些軌道將天體置於不同的溫度機制和不同的在輻照環境中（例如，塞德娜大部分時間都在太陽的日光層之外）。我們想研究這些不同的軌道會如何影響天體表面。表面上還有其他有趣的冰和複雜的有機物”。

PRISM對塞德娜、共工和奎奧爾的兩次光柵觀測中的一次觀測影像。來源：Emery, JP et al. (2023)

利用韋伯近紅外線望遠鏡（NIRSpec）的數據，研究小組以低解析度棱鏡模式觀測了這三個天體，波長範圍從0.7微米到5.2微米–將它們全部置於近紅外光譜中。此外，他們還使用中分辨率光柵對波長0.97至3.16微米的Quaoar進行了額外的觀測，光譜分辨率是原來的十倍。埃默里說，由此產生的光譜揭示了這些塵埃粒子和表面成分的一些有趣之處：

「我們在這三個天體上都發現了豐富的乙烷（C2H6），其中塞德娜天體最為突出。塞德娜也顯示出乙炔（C2H2）和乙烯（C2H4）。豐度與軌道相關（塞德娜也顯示出乙炔（C2H2）和乙烯（C2H4）。豐度與軌道相關（塞德娜上最多，共工上較少，奎奧爾上最少），這與相對溫度和輻照環境一致。這些分子是甲烷（CH4）的直接輻照產物。如果乙烷（或其他物質）在表面上存在了很長時間，它們就會在輻照下轉化成更加複雜的分子。既然我們還能看到它們，我們就懷疑甲烷（CH4）一定會定期補充到表面上”。

這些發現與洛威爾天文台的天文學家、美國國家航空航天局”新視野”號任務的聯合研究員威爾-格蘭迪博士（Dr. Will Grundy）和瑞士科學研究院的行星科學家兼地球化學家克里斯-格萊因（Chris Glein）最近領導的兩項研究中的發現一致。在這兩項研究中，格蘭迪、格里恩和他們的同事測量了鬩神星和馬克馬剋星上甲烷中的氘/氫（D/H）比率，得出的結論是甲烷並非原始甲烷。相反，他們認​​為這些比率是甲烷在其內部經過處理後被輸送到表面的結果。

埃默里說：”我們認為塞德娜、共工和奎奧爾可能也是如此。我們還發現，塞德娜、共工和奎奧爾的光譜與較小的KBO的光譜截然不同。在最近在的兩次會議上，JWST的數據顯示較小的KBO分為三組，其中沒有一組看起來像這三者，這一結果與我們的三個較大天體具有不同的地熱歷史是一致的。 “

八個最大的近地天體與地球的比較（均按比例）。圖片來源：NASA/Lexicon

研究結果的影響

這些發現可能對研究KBOs、TNOs和太陽系外的其他天體產生重大影響。這包括對行星系統中霜凍線以外天體的形成有了新的認識，而霜凍線是指揮發性化合物凍結成固體的界限。在我們的太陽系中，外海王星區域與氮線相對應，在那裡天體將保留大量冰點極低的揮發性物質（即氮、甲烷和氨）。埃默里說，這些發現也證明了這個區域的天體正在經歷哪種類型的演化過程：

“主要影響可能是找到KBOs的大小，在這個大小上，KBOs已經變得足夠溫暖，可以進行原始冰的內部再加工，甚至分化。我們還可以利用這些光譜來更好地了解太陽系外表面冰層的輻照處理過程。未來的研究也將能夠更詳細地觀察這些天體在其軌道任何部分的揮發性穩定性和大氣層的可能性”。

這項研究的結果也展示了JWST 的能力，自去年年初投入運作以來，它已經多次證明了自己的價值。它們也提醒我們，除了能夠對遙遠的行星、星系和宇宙的大尺度結構有新的認識和突破之外，韋伯還能揭示宇宙中我們這個小角落的一些事情。

埃默里補充說：”JWST的數據太棒了。”它們使我們能夠獲得比地面波長更長的光譜，從而能夠探測到這些冰。通常，在新的波長範圍內進行觀測時，初始資料的品質可能很差。JWST 不僅開闢了一個新的波長範圍，還提供了對太陽系外表面一系列物質非常敏感的高品質數據。”

改編自最初發表在《今日宇宙》上的一篇文章。