Tiểu hành tinh Trojan đại diện cho một lớp thiên thể nhỏ hấp dẫn có cùng quỹ đạo với một hành tinh lớn hơn, đáng chú ý nhất là Sao Mộc, trong khi nằm gần các điểm hấp dẫn ổn định được gọi là điểm Lagrange.

Những vật thể đồng quỹ đạo này tạo thành hai đàn riêng biệt phía trước và phía sau hành tinh, bị khóa trong cộng hưởng quỹ đạo 1:1 với nó, nghĩa là chúng quay quanh Mặt trời ở cùng khoảng cách và chu kỳ trung bình như hành tinh chủ.

Đặc điểm và động lực quỹ đạo của các tiểu hành tinh Trojan trên Sao Mộc

Các tiểu hành tinh Trojan trên Sao Mộc quay quanh hai điểm Lagrange ổn định, được ký hiệu là L4 và L5, nằm cách Sao Mộc khoảng 60 độ về phía trước và phía sau trên quỹ đạo của nó. Các điểm này là những vùng mà lực hấp dẫn kết hợp của Sao Mộc và Mặt Trời tạo ra các túi ổn định, cho phép các tiểu hành tinh Trojan duy trì vị trí tương đối của chúng trong khoảng thời gian dài.

Mỗi nhóm trải dài khoảng 26 độ dọc theo quỹ đạo của Sao Mộc và có chiều rộng khoảng 0,6 đơn vị thiên văn (AU), với khoảng cách trung bình từ Mặt Trời là gần 5,2 AU.

Quỹ đạo của chúng không cố định mà dao động quanh các điểm Lagrange này theo các quỹ đạo thường được gọi là quỹ đạo nòng nọc, với chu kỳ dao động khoảng 150 năm. Trong quá trình chuyển động này, từng tiểu hành tinh trojan di chuyển gần hoặc xa Sao Mộc hơn, nhưng vẫn bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn gần các điểm này. Các tiểu hành tinh trojan có độ nghiêng quỹ đạo phân bố rộng, lên đến khoảng 40 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của Sao Mộc, và thể hiện nhiều độ lệch tâm khác nhau trong vùng ổn định của chúng.

Về mặt vật lý, các tiểu hành tinh trojan của Sao Mộc chủ yếu có màu tối, với độ phản xạ thấp hoặc giá trị suất phản chiếu (albedo) dao động từ khoảng 3% đến 10%, và chúng hiển thị quang phổ màu đỏ không có đặc điểm gì. Điều này cho thấy bề mặt của chúng có thể được phủ một lớp vật liệu hữu cơ phức tạp được gọi là tholin, hình thành do tiếp xúc lâu dài với bức xạ mặt trời.

Ước tính mật độ khác nhau, với giá trị từ 0,8 đến 2,5 gam trên một cm khối, cho thấy thành phần bao gồm hỗn hợp đá và băng giàu chất dễ bay hơi.

Nhiều tiểu hành tinh trojan có hình dạng bất thường, và một số, như 624 Hektor, là hệ sao đôi tiếp xúc - hai thiên thể tiếp xúc tạo thành hình dạng thuôn dài. Những thiên thể khác, chẳng hạn như 617 Patroclus, là hệ sao đôi thực sự bao gồm hai vật thể riêng biệt quay quanh nhau.

Nguồn gốc và các lý thuyết lịch sử

Nguồn gốc của các tiểu hành tinh Trojan của Sao Mộc vẫn là một chủ đề nghiên cứu và tranh luận sôi nổi, với hai mô hình chính được đề xuất. Giả thuyết trước đó cho rằng các tiểu hành tinh Trojan hình thành gần quỹ đạo Sao Mộc trong quá trình hình thành hành tinh này, bị hấp dẫn bởi lực hấp dẫn ngày càng tăng khi Sao Mộc tích tụ khí và khối lượng nhanh chóng.

Tuy nhiên, mô hình này dự đoán số lượng vật thể bị bắt giữ lớn hơn nhiều so với số liệu hiện tại và chưa giải thích đầy đủ về độ nghiêng quỹ đạo rộng lớn của các tiểu hành tinh Trojan.

Một quan điểm hiện đại được ủng hộ rộng rãi hơn đến từ mô hình Nice, cho rằng các thiên thạch Trojan đã bị bắt giữ trong giai đoạn bất ổn động lực học khoảng 500–600 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời hình thành. Trong giai đoạn này, tương tác hấp dẫn đã khiến các hành tinh khổng lồ, bao gồm cả Sao Mộc, di chuyển và phân tán các thiên thể nhỏ hơn.

Một số thiên thể phân tán này từ hệ Mặt Trời bên ngoài đã bị giữ lại trong các điểm Lagrange của Sao Mộc, giải thích độ nghiêng quỹ đạo đa dạng và các đặc tính động lực học khác của các thiên thể Trojan. Mô hình Nice cũng tính đến sự bất đối xứng của quần thể thiên thể giữa hai bầy thiên thể Trojan, với bầy dẫn đầu (L4) lớn hơn bầy theo sau (L5).

Tiểu hành tinh Trojan ngoài Sao Mộc

Mặc dù "tiểu hành tinh Trojan" thường được dùng để chỉ các tiểu hành tinh Trojan của Sao Mộc, nhưng các hành tinh khác cũng có quần thể tiểu hành tinh Trojan liên quan. Sao Hỏa, Sao Hải Vương, Sao Thiên Vương, và thậm chí cả Trái Đất đều đã biết đến các tiểu hành tinh Trojan, mặc dù các quần thể này nhỏ hơn và kém ổn định hơn nhiều so với Sao Mộc. Ví dụ, tiểu hành tinh Trojan duy nhất được biết đến của Trái Đất, 2010 TK7, nằm ở điểm L4 nhưng có quỹ đạo hỗn loạn hơn trong hàng thiên niên kỷ.

Các tiểu hành tinh Troia tạm thời cũng đã được quan sát thấy xung quanh Sao Kim và Sao Thổ, và thậm chí một số tiểu hành tinh lớn như 1 Ceres và 4 Vesta cũng sở hữu các tiểu hành tinh nhỏ có thể nằm trong cùng quỹ đạo với các tiểu hành tinh Troia. Nghiên cứu về các tiểu hành tinh Troia xung quanh các thiên thể khác nhau cung cấp một bối cảnh rộng hơn để hiểu về sự hình thành hành tinh và quá trình tiến hóa động lực của các quần thể thiên thể nhỏ trong toàn bộ Hệ Mặt Trời.

Tầm quan trọng khoa học và những khám phá gần đây

Các tiểu hành tinh Troia đóng vai trò là tàn tích nguyên sơ của hệ Mặt Trời sơ khai, lưu giữ thông tin về các vật liệu và điều kiện nguyên thủy trong quá trình hình thành hành tinh. Sự kết hợp giữa đá và bề mặt giàu hữu cơ của chúng cung cấp manh mối về sự phân bố các hợp chất dễ bay hơi và các quá trình hình thành nên phần ngoài của hệ Mặt Trời.

Sứ mệnh Lucy sắp tới của NASA, dự kiến ​​sẽ sớm được phóng, nhằm mục đích thăm dò nhiều tiểu hành tinh Troia trên Sao Mộc và nghiên cứu trực tiếp địa chất, thành phần và lịch sử của chúng, đánh dấu sứ mệnh chuyên biệt đầu tiên dành cho những thiên thể bí ẩn này.

Tiến sĩ David Nesvorný, một nhà động lực học thiên thể nổi tiếng, phát biểu: "Các tiểu hành tinh thành Troy cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên để kiểm chứng các lý thuyết về sự tiến hóa của hệ mặt trời và sự di cư của các hành tinh. Kiến trúc quỹ đạo đặc biệt và sự đa dạng về thành phần của chúng làm sáng tỏ các quá trình hình thành nên các hệ hành tinh".

Tương tự, nhà khoa học hành tinh, Tiến sĩ Hal Levison, nhận xét: "Việc hiểu biết về trojan rất quan trọng để ghép nối quá khứ phức tạp của hệ mặt trời. Chúng là những bức ảnh chụp nhanh về vật chất cổ xưa đã không thể tập hợp thành một hành tinh, mang lại cái nhìn sâu sắc về các khối xây dựng nên thế giới".

Các tiểu hành tinh Trojan, đặc biệt là những tiểu hành tinh có cùng quỹ đạo với Sao Mộc, đại diện cho một quần thể thiên thể nhỏ đáng chú ý bị mắc kẹt trong các vùng hấp dẫn ổn định. Quỹ đạo, thành phần và lịch sử đặc biệt của chúng nắm giữ thông tin quan trọng về sự hình thành Hệ Mặt Trời, sự di cư của các hành tinh và bản chất của vật chất nguyên thủy. Khi các nỗ lực khám phá tiến triển, các tiểu hành tinh Trojan đang sẵn sàng hé lộ những chương mới của lịch sử vũ trụ, làm phong phú thêm kiến ​​thức về quá khứ xa xôi và sự tiến hóa đang diễn ra của Hệ Mặt Trời.