柯伊伯带是太阳系边缘的广阔区域，分布着无数冰天体，是科学发现的宝库。柯伊伯带天体(KBO)(有时称为跨海王星天体(TNO))的探测和表征使人们对太阳系的历史有了新的认识。
柯伊伯带天体的分布是引力流的一个指标，引力流塑造了太阳系并揭示了行星迁移的动态历史。自20世纪末以来，科学家们一直渴望近距离观察柯伊伯带天体，以了解更多关于它们的轨道和组成的信息。
研究太阳系外的天体是詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的众多目标之一。利用韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)获得的数据，一个国际天文学家小组观测了柯伊伯带中的三颗矮行星：塞德娜(Sedna)、共工(Gonggong)和夸奥尔(Quaoar)。这些观测揭示了有关它们各自轨道和组成的一些有趣的事情，包括轻质烃和被认为是甲烷辐照产物的复杂有机分子。
这项研究由北亚利桑那大学天文学和行星科学副教授约书亚·埃默里(JoshuaEmery)领导。来自美国宇航局戈达德太空飞行中心(GSFC)、空间天体物理研究所(巴黎萨克雷大学)、平海德研究所、佛罗里达太空研究所(中佛罗里达大学)、洛厄尔天文台、西南研究院的研究人员加入了他的行列。研究所(SwRI)、美国大学太空望远镜科学研究所(STScI)。和康奈尔大学。他们论文的预印本已发布到arXiv服务器上，并正在由Icarus审核以供发布。
尽管天文学和机器人探险家取得了所有进步，但我们对跨海王星区域和柯伊伯带的了解仍然有限。迄今为止，唯一研究天王星、海王星及其主要卫星的任务是旅行者2号任务，该任务分别于1986年和1989年飞越这些冰巨星。此外，新视野号任务是第一个研究冥王星及其卫星的航天器(2015年7月)，也是唯一一个在柯伊伯带中遇到物体的航天器，这一事件发生在2019年1月1日，当时它飞过被称为“柯伊伯带”的柯伊伯带天体。阿罗科斯。
这是天文学家热切等待JWST发射的众多原因之一。除了研究系外行星和宇宙中最早的星系之外，其强大的红外成像能力也转向了我们的后院，揭示了火星、木星及其最大卫星的新图像。在他们的研究中，埃默里和他的同事参考了韦伯获得的柯伊伯带三颗小行星——塞德娜、共工和夸奥尔的近红外数据。这些天体的直径约为1,000公里(620英里)，这使它们属于IAU的矮行星名称。
来自Sedna、Gonggong和Quaoar的两个PRISM光栅观测之一的图像。图片来源：Emery,JP等人。(2023)
正如埃默里通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样，天文学家对这些天体特别感兴趣，因为它们的大小、轨道和成分。其他海王星外天体，如冥王星、阋神星、Haumea和鸟神星，都在其表面保留了挥发性冰(氮、甲烷等)。一个例外是Haumea，它在一次大的撞击中失去了挥发物(显然)。正如埃默里所说，他们想看看Sedna、Gonggong和Quaoar的表面是否也有类似的挥发物：
“之前的研究表明它们也许能够做到。虽然它们的大小大致相似，但它们的轨道是不同的。塞德娜是奥尔特云内部的一个天体，其近日点为76个天文单位，远日点为近1,000个天文单位，共工处于一个非常椭圆的轨道上此外，近日点为33个天文单位，远日点约为100个天文单位，Quaoar位于43个天文单位附近的相对圆形轨道。这些轨道将天体置于不同的温度范围和不同的辐射环境中(例如，塞德娜大部分时间都在“太阳的日光层之外)。我们想研究这些不同的轨道如何影响表面。表面上还有其他有趣的冰和复杂的有机物。”
利用Webb的NIRSpec仪器的数据，该团队在低分辨率棱镜模式下以0.7至5.2微米(μm)的波长观察了所有三个物体，将它们全部置于近红外光谱中。使用中分辨率光栅以十倍光谱分辨率对0.97至3.16µm的Quaoar进行了额外的观察。由此产生的光谱揭示了这些TNO和表面成分的一些有趣的事情，Emery说：
“我们在所有三个天体上都发现了丰富的乙烷(C2H6)，尤其是在Sedna上。Sedna还显示出乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)。丰度与轨道相关(大多数在Sedna上)，Gonggong上较少，Quaoar上最少)，这与相对温度和辐照环境一致。这些分子是甲烷(CH4)的直接辐照产物。如果乙烷(或其他)在表面长时间存在，“它们会通过辐射转化为更复杂的分子。由于我们仍然看到它们，我们怀疑甲烷(CH4)必须相当定期地重新供应到表面。”
这些发现与洛厄尔天文台天文学家、美国宇航局新视野号任务联合研究员威尔·格伦迪博士和瑞士研究院行星科学家兼地球化学家克里斯·格莱因最近领导的两项研究一致。在这两项研究中，格伦迪、格林和他们的同事测量了阋神星和鸟神星上甲烷中的氘/氢(D/H)比率，并得出结论认为甲烷不是原始的。相反，他们认为这些比率是由甲烷在其内部加工并输送到地表造成的。
“我们认为Sedna、Gonggong和Quaoar可能也是如此，”埃默里说。“我们还看到Sedna、Gonggong和Quaoar的光谱与较小的KBO的光谱不同。最近两次会议上的讨论显示，JWST数据将较小的KBO星团分为三组，其中没有一个看起来像Sedna、Gonggong、这个结果与我们三个较大的天体具有不同的地热历史是一致的。”
这些发现可能对KBO、TNO和太阳系外其他天体的研究具有重大意义。这包括对行星系统中霜线以外物体形成的新见解，霜线是指挥发性化合物在该线之外将冻结成固体的线。在我们的太阳系中，海王星外区域对应于氮线，那里的物体将保留大量凝固点非常低的挥发物(即氮、甲烷和氨)。
埃默里说，这些发现还证明了该区域的身体在发挥什么类型的进化过程。“主要的意义可能是找到柯伊伯带天体的温度达到足以对原始冰进行内部再加工，甚至分化的大小。我们还应该能够利用这些光谱来更好地了解太阳系外表面冰的辐照过程。未来的研究还将能够更详细地研究挥发稳定性以及这些天体在其轨道任何部分存在大气的可能性。”
这项研究的结果还展示了JWST的能力，自去年初投入运行以来，它已多次证明了其价值。它们还提醒我们，韦伯除了能够实现对遥远行星、星系和宇宙大尺度结构的新视野和突破之外，还可以揭示我们宇宙小角落的事情。
“JWST的数据非常棒，”埃默里补充道。“它们使我们能够获得比地面更长的波长的光谱，从而能够检测到这些冰。通常，在新的波长范围内进行观测时，初始数据的质量可能相当差。JWST不仅开辟了新的波长范围，而且还提供了对太阳系外表面的一系列材料敏感的极其高质量的数据。”