QUAOAR KHÔNG PHẢI QUẢ BÓNG, VÀ MẶT TRĂNG CỦA NÓ ĐÃ ĐƯỢC CÂN
Ở xa bên kia Sao Hải Vương, các thiên thể ngoài Sao Hải Vương (trans-Neptunian objects) mất hơn hai thế kỷ để đi hết một vòng quanh Mặt Trời. Phần lớn những thiên thể lớn được phát hiện vào đầu những năm 2000, nên chúng ta mới chỉ quan sát được một lát cắt nhỏ trên quỹ đạo của chúng — và cứ thấy chúng từ gần như cùng một góc. Với (50000) Quaoar, góc đó chỉ thay đổi 1,7 độ trong suốt các quan sát được dùng ở đây. Suy ra một hình dạng ba chiều từ một điểm nhìn duy nhất cũng giống như đoán hình dạng một củ khoai tây từ cái bóng của nó trên một bức tường.
Hai cách nhìn một hình dạng ở rất xa
Các nhà thiên văn có hai công cụ.
- Đường cong ánh sáng (light curves). Khi một thiên thể tự quay, độ sáng của nó thay đổi. Một quả cầu hay một quả bóng dẹt trông giống nhau từ mọi phía, nên ánh sáng của nó đi ngang — trừ khi những mảng tối hoặc sáng trên bề mặt tạo ra một đỉnh mỗi vòng. Một thiên thể bị kéo dãn theo ba hướng, tức một elipxoit ba trục, phô ra mặt lớn nhất của nó hai lần mỗi vòng quay: hai đỉnh mỗi vòng.
- Che khuất sao (stellar occultations). Khi thiên thể đi qua trước một ngôi sao, những người quan sát dọc theo đường đi của nó thấy ngôi sao biến mất trong chốc lát. Mỗi người quan sát ghi lại một đường cắt ngang hình bóng của thiên thể, gọi là một “dây cung”. Nhiều dây cung cho một ảnh chụp nhanh của đường viền; nhiều lần che khuất vào những thời điểm khác nhau hoạt động như một dạng chụp cắt lớp.
Quaoar nằm trong một vùng trời dày đặc sao. Điều đó tốt cho việc che khuất — có rất nhiều lần — nhưng lại xấu cho các đường cong ánh sáng, vốn bị các ngôi sao lân cận làm nhiễu. Mô hình tốt nhất cho đến nay mô tả Quaoar như một quả bóng dẹt mang một vết khổng lồ trên bề mặt để giải thích sự nhấp nháy của nó.
Ba mươi bảy cái bóng
Giuliano Margoti và các đồng nghiệp tại Đài Thiên văn Quốc gia (Observatório Nacional) và phòng thí nghiệm LIneA của Brazil, Đại học Công nghệ Liên bang – Paraná, Viện Vật lý Thiên văn Andalucía ở Tây Ban Nha và Đài Thiên văn Paris đã xây dựng một phương pháp khớp đồng thời cả các lần che khuất lẫn các đường cong ánh sáng, cùng với độ bất định của chúng.
Họ đưa vào đó 37 lần che khuất sao được quan sát từ năm 2011 đến 2025 — 108 dây cung, 214 điểm trên rìa Quaoar — cùng một đường cong ánh sáng năm 2003 được xử lý lại bằng công cụ hiện đại, và dữ liệu trắc quang mới từ Kính viễn vọng Không gian Hubble vào năm 2024 và 2025. Một giả định làm nền cho mô hình: Quaoar tự quay quanh cùng một trục với các vành đai của nó.
Hình dạng Quaoar được khớp so với từng lần trong 37 lần che khuất từ 2011 đến 2025: đường màu xanh là các dây cung nơi ngôi sao biến mất, màu đỏ đánh dấu độ bất định, đường nét đứt màu lục là những người quan sát gần nhất không thấy gì. — Figure 4, Margoti et al. (2026), arXiv:2610.30494.
Một thế giới bị kéo dãn
Câu trả lời: Quaoar là ba trục. Ba bán trục của nó đo được khoảng 621, 547 và 512 kilômét — tức khoảng 1.241 x 1.093 x 1.023 km từ đầu này sang đầu kia. Thể tích của nó bằng thể tích một quả cầu đường kính 1.116 km, và mật độ là 1,66 gam trên centimét khối. Nó tự quay một vòng khoảng mỗi 17,68 giờ, và chỉ riêng hình dạng bị kéo dãn đã tái hiện được cả đường cong ánh sáng năm 2003 lẫn của Hubble với cùng một chu kỳ. Độ khớp với các rìa từ những lần che khuất rất chặt: độ phân tán có trọng số là 2,1 km.
Các tác giả giải thích vì sao giờ đây họ ưa chuộng hình dạng này hơn hình dạng dẹt. Mô hình cũ cần một vết phủ gần nửa bán cầu, khó hình thành một cách tự nhiên, và hai chu kỳ tự quay hơi khác nhau cho hai đường cong ánh sáng. Hình dạng ba trục không cần đến cả hai điều đó.
Cân Weywot nhờ một sự lắc lư
Quaoar có một mặt trăng nhỏ, Weywot. Các dự báo vị trí của Quaoar bám theo khối tâm của cặp thiên thể này, nhưng một lần che khuất lại xác định chính xác tâm của riêng Quaoar. Vì Weywot có khối lượng nhất định, Quaoar đung đưa nhẹ quanh khối tâm chung đó, ngược phía với mặt trăng của nó. So sánh độ lệch đo được của Quaoar với vị trí của Weywot ở mỗi sự kiện — được quan sát trực tiếp trong hai lần che khuất bắt được cả hai thiên thể — sẽ cho ra tỉ số khối lượng giữa chúng.
Kết quả: Weywot nặng khoảng 1,5 × 10¹⁸ kilôgam, xấp xỉ một phần nghìn khối lượng Quaoar. Mật độ của nó ra 0,95 ± 0,60 gam trên centimét khối, một con số khá lỏng vì kích thước của Weywot còn bất định. Sự lắc lư chỉ cỡ vài phần nghìn giây cung, quá nhỏ đối với các phép đo đơn lẻ của vệ tinh Gaia cho một thiên thể mờ như vậy, nhưng nằm trong tầm với của các lần che khuất, vốn thường chính xác hơn hai phần nghìn giây cung.
Vành đai hòa nhịp với vòng quay
Hình dạng mới cũng quan trọng đối với những gì quay quanh Quaoar. Trường hấp dẫn của nó lệch hơn so với suy nghĩ trước đây — hệ số liên quan lớn gấp khoảng ba lần ước tính cũ. Trong các mô phỏng của nhóm, mọi vật chất nằm trong khoảng 2,4 lần bán kính Quaoar đều bị quét sạch trong chưa đầy ba năm, nên các mặt trăng nhỏ hơn chỉ có thể tồn tại ở xa hơn. Vành đai trong, mờ hơn, nằm cách một cộng hưởng 5:7 với vòng tự quay của Quaoar không quá 20 km — ở khoảng cách đó, một hạt của vành đai quay được năm vòng trong khi Quaoar tự quay bảy vòng — và vành đai chính, nằm ở phía ngoài, có thể gắn với một cộng hưởng 2:6 nếu các hạt của nó đi theo những quỹ đạo bị kéo dãn — điều có lẽ cũng giải thích vì sao bề rộng của vành đai đó thay đổi quanh Quaoar. Các tác giả lưu ý một điểm: họ coi bên trong Quaoar là đồng nhất, trong khi có lẽ nó đã phân tách một phần thành các lớp, dù họ không cho rằng điều này làm thay đổi kết luận của họ về mặt định tính.