Ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương là một vành đai rộng lớn gồm những di tích cổ xưa, những bí ẩn động lực học, và có thể là một hoặc hai hành tinh ẩn giấu.

Vành đai Kuiper , một vùng gồm các mảnh vụn đóng băng nằm cách Mặt Trời xa hơn Trái Đất khoảng 30 đến 50 lần—và có thể còn xa hơn nữa, mặc dù không ai biết chắc—đã được bao phủ bởi sự bí ẩn kể từ khi nó lần đầu tiên được phát hiện vào những năm 1990.

Trong 30 năm qua, các nhà thiên văn học đã lập danh mục khoảng 4.000 vật thể trong Vành đai Kuiper (KBO), bao gồm một số hành tinh lùn, sao chổi băng giá và các mảnh vỡ còn sót lại của các hành tinh. Nhưng con số này dự kiến ​​sẽ tăng gấp mười lần trong những năm tới khi các quan sát từ các kính viễn vọng tiên tiến hơn được thực hiện. Đặc biệt, Đài quan sát Vera C. Rubin ở Chile sẽ làm sáng tỏ khu vực mờ mịt này với dự án chủ lực của mình, Khảo sát Di sản Không gian và Thời gian (LSST), bắt đầu hoạt động vào năm ngoái. Các đài quan sát thế hệ tiếp theo khác, chẳng hạn như Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST), cũng sẽ giúp làm rõ hơn vành đai này.

“Ngoài sao Hải Vương, chúng ta đã có một bản thống kê về những gì tồn tại trong hệ mặt trời, nhưng đó chỉ là một tập hợp các cuộc khảo sát rời rạc, và điều đó để lại rất nhiều khả năng những thứ có thể đã bị bỏ sót,” Renu Malhotra, Giáo sư Nghiên cứu Khoa học Louise Foucar Marshall và Giáo sư Danh dự về Khoa học Hành tinh tại Đại học Arizona, cho biết.

“Tôi nghĩ đó là điều quan trọng nhất mà Rubin sẽ làm được—lấp đầy những khoảng trống trong kiến ​​thức của chúng ta về các thành phần của hệ mặt trời,” bà nói thêm. “Nó sẽ thúc đẩy mạnh mẽ việc thống kê và kiến ​​thức của chúng ta về các thành phần của hệ mặt trời.”

Do đó, các nhà thiên văn học đang chuẩn bị cho một làn sóng khám phá mới từ vùng biên giới này, có thể làm sáng tỏ nhiều câu hỏi chưa được giải đáp. Liệu có những hành tinh mới nào ẩn giấu trong vành đai này, hay nằm ngoài nó? Vùng này kéo dài đến đâu? Và liệu có dấu vết của những cuộc chạm trán thảm khốc trong quá khứ giữa các thế giới—cả trong lòng Trái Đất hay từ không gian giữa các vì sao—được in dấu trong tập hợp các vật thể gần như nguyên vẹn từ quá khứ xa xôi này?

“Tôi nghĩ lĩnh vực này sẽ sớm trở nên rất hấp dẫn nhờ LSST,” Amir Siraj, một nghiên cứu sinh tại Đại học Princeton chuyên nghiên cứu về Vành đai Kuiper, cho biết.

Vành đai Kuiper là nghĩa địa của những mảnh vụn hành tinh bị phân tán xa khỏi Mặt Trời trong quá trình hình thành hỗn loạn của hệ Mặt Trời khoảng 4,6 tỷ năm trước. Sao Diêm Vương là vật thể thuộc Vành đai Kuiper đầu tiên được phát hiện, hơn nửa thế kỷ trước khi chính vành đai này được tìm thấy.

Từ những năm 1990, các nhà thiên văn học đã tìm thấy một số hành tinh lùn khác trong vành đai, chẳng hạn như Eris và Sedna, cùng với hàng ngàn vật thể nhỏ hơn. Mặc dù Vành đai Kuiper không hoàn toàn tĩnh, nhưng phần lớn nó là một "viên nang thời gian" nguyên vẹn của hệ mặt trời sơ khai, có thể được khai thác để tìm kiếm manh mối về sự hình thành hành tinh.

Ví dụ, vành đai này chứa những cấu trúc kỳ lạ có thể là dấu vết của những lần va chạm trong quá khứ giữa các hành tinh khổng lồ, bao gồm một cụm vật thể đặc biệt, được gọi là "hạt nhân", nằm ở khoảng 44 đơn vị thiên văn (AU), trong đó 1 AU là khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời (khoảng 93 triệu dặm).

Mặc dù nguồn gốc của hạt nhân này vẫn chưa được giải thích, một giả thuyết phổ biến cho rằng các vật thể cấu thành nên nó—được gọi là các vật thể cổ điển lạnh—đã bị cuốn theo sự di chuyển ra ngoài của sao Hải Vương xuyên qua hệ mặt trời hơn 4 tỷ năm trước, một hành trình có thể đầy sóng gió.

Ý tưởng là "Sao Hải Vương bị các hành tinh khí khổng lồ khác xô đẩy và thực hiện một cú nhảy nhỏ; nó được gọi là kịch bản 'Sao Hải Vương nhảy'", Wes Fraser, một nhà thiên văn học tại Đài quan sát Vật lý thiên văn Dominion, Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada, người nghiên cứu Vành đai Kuiper, cho biết, đồng thời lưu ý rằng nhà thiên văn học David Nesvorný là người đưa ra ý tưởng này.

“Hãy tưởng tượng một chiếc xe dọn tuyết đang chạy trên đường cao tốc, rồi nhấc lưỡi cày lên. Nó để lại một đống tuyết phía sau,” ông nói thêm. “Ý tưởng tương tự như vậy đã tạo nên khối lượng những tác phẩm kinh điển lạnh lẽo. Đó chính là cốt lõi.”

Nói cách khác, Sao Hải Vương đã kéo theo những vật thể này khi nó di chuyển ra ngoài, nhưng sau đó đã phá vỡ lực hấp dẫn của nó khi "nhảy" vào vành đai Kuiper, khiến chúng lắng đọng theo hình dạng lõi đặc trưng do Sao Hải Vương tạo ra, vẫn còn nguyên vẹn cho đến ngày nay.

Năm ngoái, Siraj và các cố vấn của ông tại Princeton đã bắt đầu tìm kiếm các cấu trúc ẩn khác trong Vành đai Kuiper bằng một thuật toán mới, phân tích 1.650 vật thể KBO—nhiều gấp khoảng 10 lần so với nghiên cứu năm 2011 do Jean-Robert Petit dẫn đầu, nghiên cứu đầu tiên xác định được hạt nhân.

Kết quả nghiên cứu liên tục khẳng định sự hiện diện của hạt nhân ban đầu, đồng thời cũng hé lộ khả năng tồn tại một "hạt nhân bên trong" mới nằm ở khoảng 43 AU, mặc dù cần thêm nghiên cứu để xác nhận phát hiện này, theo nghiên cứu năm 2025 của nhóm .

“Về cơ bản, bạn có hai cụm này ở 43 và 44 AU,” Siraj giải thích. “Chưa rõ liệu chúng có phải là một phần của cùng một cấu trúc hay không,” nhưng “dù sao đi nữa, đó cũng là một manh mối khác về, có lẽ, sự di chuyển của Sao Hải Vương, hoặc một quá trình nào đó khác đã hình thành nên các cụm này.”

Khi kính viễn vọng Rubin và các kính viễn vọng khác phát hiện thêm hàng ngàn vật thể KBO trong những năm tới, bản chất và nguồn gốc có thể có của những cấu trúc bí ẩn này trong vành đai có thể trở nên rõ ràng hơn, mở ra những góc nhìn mới về nguồn gốc đầy biến động của hệ mặt trời chúng ta.

Ngoài việc tái tạo lại giai đoạn hình thành ban đầu của các hành tinh đã biết, các nhà thiên văn học nghiên cứu Vành đai Kuiper đang chạy đua để phát hiện các hành tinh chưa được biết đến. Ví dụ nổi tiếng nhất là thế giới khổng lồ giả định được gọi là Hành tinh Chín hoặc Hành tinh X, lần đầu tiên được đề xuất vào năm 2016. Một số nhà khoa học cho rằng ảnh hưởng hấp dẫn của hành tinh này, nếu nó tồn tại, có thể giải thích các quỹ đạo tập trung kỳ lạ trong Vành đai Kuiper, mặc dù thế giới giả định này sẽ nằm rất xa bên ngoài vành đai, ở khoảng cách vài trăm AU.

Siraj và các đồng nghiệp cũng đã suy đoán về khả năng tồn tại một hành tinh có kích thước bằng Sao Thủy hoặc Sao Hỏa, được đặt tên là Hành tinh Y, có thể nằm gần vành đai tiểu hành tinh hơn, ở khoảng cách từ 80 đến 200 AU, theo nghiên cứu năm 2025 của họ . Kính viễn vọng Rubin có khả năng phát hiện những hành tinh giả định này, mặc dù việc dự đoán các đặc tính của các hành tinh nằm cách xa Mặt Trời như vậy có thể là một thách thức.

“Chúng ta không biết gì về bầu khí quyển và bề mặt của các hành tinh khí khổng lồ hoặc hành tinh băng khổng lồ ở khoảng cách 200, 300 hoặc 400 AU,” Fraser nói. “Chúng ta không biết gì về thành phần hóa học của chúng. Mỗi lần chúng ta quan sát một hành tinh ngoài hệ mặt trời, nó đều có hành vi khác với những gì mô hình của chúng ta dự đoán.”

“Tôi nghĩ Hành tinh thứ Chín rất có thể chỉ là một khối nhựa đường quá tối đến nỗi chúng ta không thể nhìn thấy nó, và đó là lý do tại sao nó vẫn chưa được phát hiện,” ông nói thêm. “Nếu chúng ta tìm thấy nó, tôi cũng không quá ngạc nhiên. Và ai biết được một Trái Đất [trong vành đai tiểu hành tinh] sẽ trông như thế nào? Chắc chắn thành phần cấu tạo của nó sẽ khác với sao Hỏa, Trái Đất hay sao Kim trong hệ mặt trời bên trong.”

Các đài quan sát như Rubin và JWST có thể lấp đầy những khoảng trống đầy hứa hẹn trong kiến ​​thức của chúng ta về Vành đai Kuiper, và có lẽ sẽ xác định được vị trí của các hành tinh ẩn. Nhưng ngay cả khi những kính viễn vọng này cho thấy không có hành tinh nào, đó cũng sẽ là một bước đột phá.

“Vẫn còn rất nhiều khả năng để phát hiện ra các thiên thể lớn,” Malhotra nói. “Điều đó sẽ thật tuyệt vời, nhưng nếu chúng ta không tìm thấy bất kỳ thiên thể nào, điều đó cũng sẽ cho chúng ta biết điều gì đó.”

“Việc không tìm thấy chúng ở một khoảng cách nhất định sẽ cho phép chúng ta ước tính quá trình hình thành hành tinh hiệu quả hay không hiệu quả như thế nào,” bà nói thêm. “Nó sẽ giúp giải đáp một số thắc mắc trong các mô hình của chúng ta.”