Làm thế nào để bạn cân một thứ ở xa và có khối lượng lớn như Vành đai Kuiper? Chà, đó chính xác là những gì một nhóm các nhà thiên văn học đã đạt được.
Xa xa trong vùng ngoại ô xa xôi, ảm đạm của Hệ Mặt trời bên ngoài, bên ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương, là cả một bầy các vật thể nhỏ, băng giá.
Các vật thể xuyên sao Hải Vương (TNO) này hầu hết quay quanh quỹ đạo ở khoảng cách từ 30 đến 50 đơn vị thiên văn (AU) so với Mặt trời – trong đó 1 AU là khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất.
Chúng tạo nên Vành đai Kuiper, một đĩa khuếch tán rộng hơn vành đai tiểu hành tinh khoảng 20 lần và khối lượng lớn hơn khoảng 100 lần.
Đọc thêm từ Lewis Dartnell:
Khi ngày càng có nhiều TNO được phát hiện, một điều rất kỳ lạ đã được chú ý. Một nhóm TNO tập hợp lại với nhau và tất cả đều tiếp cận Mặt trời gần nhất trong cùng một khu vực
Vào năm 2016, một hành tinh thứ chín không nhìn thấy đã được đề xuất để giải thích những dị thường kỳ lạ này – một siêu Trái đất quay quanh quỹ đạo hơn 400 AU, có lực hấp dẫn đang che chở các vật thể trong Vành đai Kuiper này.
Nỗ lực xác định vị trí hành tinh tiềm năng khó nắm bắt này cho đến nay vẫn thất bại, nhưng điều thực sự giúp xác định bất kỳ tương tác hấp dẫn nào từ Hành tinh thứ Chín là sự hiểu biết rõ ràng hơn nhiều về khối lượng của các TNO này.
Vậy làm thế nào để bạn cân nhắc Vành đai Kuiper từ cách xa hơn 6 tỷ km?
Andrea Di Ruscio, tại Đại học Sapienza ở Rome, và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng một phương pháp khéo léo để giải quyết vấn đề này.
Họ đã sử dụng dữ liệu từ sứ mệnh Cassini để tính toán vị trí của Sao Thổ cực kỳ chính xác, sau đó sử dụng các nhiễu loạn đối với quỹ đạo này để suy ra khối lượng tích lũy của TNO.
Với hành trình phức tạp vòng quanh Sao Thổ và các mặt trăng của nó trong hơn 13 năm, Cassini là một trong những sứ mệnh không gian phức tạp nhất từng được điều hướng.
Điều này đòi hỏi phải theo dõi chính xác tàu vũ trụ, và do đó, trong khoảng sáu giờ mỗi ngày, Mạng lưới không gian sâu gồm các đĩa vô tuyến đã trao đổi tín hiệu với Cassini.
Các đặc điểm khác biệt của các tín hiệu này cho phép nhóm Cassini theo dõi không chỉ khoảng cách của tàu thăm dò (từ thời gian trễ tín hiệu), mà còn cả tốc độ di chuyển của nó về phía Trái đất hoặc ra khỏi Trái đất vào thời điểm đó (từ hiệu ứng Doppler) và vì vậy hãy tái tạo lại quỹ đạo của tàu vũ trụ.
Giờ đây, Di Ruscio và nhóm của ông đã phân tích lại dữ liệu điều hướng Cassini di sản này và tham chiếu các phép đo đến quỹ đạo của Trái đất để xác định chính xác vị trí của Sao Thổ với độ chính xác hàng mét.
Đây là một mức độ chính xác đáng kinh ngạc và đã cho phép họ tạo ra một trong những bảng lịch thiên văn hành tinh chính xác nhất từng được sản xuất.
Trên thực tế, tốt đến mức họ có thể so sánh đường quỹ đạo thực tế của Sao Thổ với các dự đoán để xác định quỹ đạo của Sao Thổ đã bị nhiễu loạn bao nhiêu bởi các tương tác hấp dẫn từ Vành đai Kuiper.
Tính đến chín TNO đặc biệt lớn đã được biết đến và một loạt ba vành đai trong Vành đai Kuiper, Di Ruscio ước tính rằng tổng khối lượng của Vành đai Kuiper vào khoảng 3,6 x 10 23 kg – tương đương khoảng 6% khối lượng của Trái đất .
Với kiến thức này hiện có trong tay, các nhà thiên văn học sẽ có thể tính toán một bức tranh tốt hơn nhiều về việc Vành đai Kuiper này đang bị hành tinh thứ chín quấy rầy như thế nào và tìm kiếm nó ở đâu – nếu nó tồn tại!
Lewis Dartnell đang đọc Phân tích dữ liệu theo dõi vô tuyến của Cassini để xây dựng INPOP19a – Một ước tính mới về khối lượng Vành đai Kuiper của A Di Ruscio. Đọc nó trực tuyến tại HAL.
Giáo sư Lewis Dartnell là nhà sinh vật học vũ trụ tại Đại học Westminster. Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 1 năm 2021 của Tạp chí BBC Sky at Night .