Nowe badania prowadzone przez naukowców z University of Central Florida po raz pierwszy dają wyraźniejszy obraz powstawania i ewolucji zewnętrznego Układu Słonecznego na podstawie analiz obiektów transneptunowych (TNO) i centaurów.
Odkrycia, opublikowane dzisiaj w Nature Astronomy, ujawniają rozmieszczenie lodów we wczesnym Układzie Słonecznym oraz ewolucję TNO, gdy wędrują do wewnątrz, w obszar planet-olbrzymów pomiędzy Jowiszem a Saturnem, stając się centaurami.
TNO to małe ciała, zwane planetozymalami, krążące wokół Słońca za Plutonem. Nigdy nie przekształciły się w planety i służą jako dziewicze kapsuły czasu, przechowujące kluczowe dowody procesów molekularnych i migracji planet, które ukształtowały Układ Słoneczny miliardy lat temu. Te obiekty Układu Słonecznego przypominają lodowe asteroidy i mają orbity porównywalne lub większe od orbity Neptuna.
Przed nowym badaniem prowadzonym przez UCF wiadomo było, że TNO stanowią zróżnicowaną populację ze względu na ich właściwości orbitalne i kolor powierzchni, ale skład molekularny tych obiektów pozostawał słabo poznany. Przez dziesięciolecia brak szczegółowej wiedzy utrudniał interpretację ich kolorystyki i dynamicznego zróżnicowania. Teraz nowe wyniki rozwiązują od dawna zadawane pytanie dotyczące interpretacji różnorodności kolorów, dostarczając informacji o składzie.
„Dzięki tym nowym badaniom uzyskano pełniejszy obraz różnorodności, a elementy układanki zaczynają układać się w całość” – mówi Noemí Pinilla-Alonso, główna autorka badania.
„Po raz pierwszy zidentyfikowaliśmy konkretne cząsteczki odpowiedzialne za niezwykłą różnorodność widm, kolorów i albedo obserwowanych w obiektach transneptunowych” – mówi Pinilla-Alonso. „Te cząsteczki – takie jak lód wodny, dwutlenek węgla, metanol i złożone substancje organiczne – dają nam bezpośrednie połączenie między cechami widmowymi TNO a ich składem chemicznym”.
Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), naukowcy odkryli, że TNO można podzielić na trzy odrębne grupy składowe, ukształtowane przez linie zatrzymywania lodu, które istniały w erze, w której Układ Słoneczny formował się miliardy lat temu.
Linie te identyfikuje się jako obszary, w których temperatury były wystarczająco niskie, aby w dysku protoplanetarnym utworzyły się i przetrwały określone lody. Regiony te, określone odległością od Słońca, wyznaczają kluczowe punkty gradientu temperatury wczesnego Układu Słonecznego i oferują bezpośrednie powiązanie między warunkami powstawania planetozymali a ich obecnym składem.
Rosario Brunetto, druga autorka artykułu i badaczka z Centre National de la Recherche Scientifique w Institute d'Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), twierdzi, że wyniki stanowią pierwszy wyraźny związek między powstawaniem planetozymali w dysku protoplanetarnym a ich późniejszą ewolucją . Praca rzuca światło na to, jak dzisiejsze obserwowane rozkłady widmowe i dynamiczne pojawiły się w układzie planetarnym ukształtowanym w wyniku złożonej ewolucji dynamicznej, mówi.
„Grupy TNO nie są równomiernie rozmieszczone wśród obiektów o podobnych orbitach” – mówi Brunetto. „Na przykład zimne klasyki, które powstały w najbardziej oddalonych obszarach dysku protoplanetarnego, należą wyłącznie do klasy zdominowanej przez metanol i złożone substancje organiczne. Natomiast TNO na orbitach połączonych z obłokiem Oorta, które powstały bliżej planet olbrzymów, wszystkie należą do grupy widmowej charakteryzującej się lodem wodnym i krzemianami.”
Brittany Harvison, doktorantka fizyki na UCF, która pracowała nad projektem w czasie studiów pod kierunkiem Pinilli-Alonso, twierdzi, że trzy grupy określone na podstawie składu ich powierzchni wykazują cechy wskazujące na strukturę kompozycyjną dysku protoplanetarnego.
„To potwierdza naszą wiedzę na temat dostępnego materiału, który pomógł w uformowaniu zewnętrznych ciał Układu Słonecznego, takich jak gazowe olbrzymy i ich księżyce czy Pluton i inni mieszkańcy regionu transneptunowego” – mówi.
W uzupełniającym badaniu centaurów opublikowanym w tym samym tomie Nature Astronomy naukowcy odkryli unikalne sygnatury widmowe, różniące się od TNO, które ujawniają obecność zakurzonych płaszczy regolitu na ich powierzchni.
To odkrycie dotyczące centaurów, czyli TNO, które przesunęły swoje orbity w rejon planet-olbrzymów po bliskim spotkaniu grawitacyjnym z Neptunem, pomaga wyjaśnić, w jaki sposób TNO stają się centaurami, gdy nagrzewają się, gdy zbliżają się do Słońca, a czasami przekształcają się w komety ogony.
Ich prace ujawniły, że wszystkie zaobserwowane powierzchnie centaurów wykazywały szczególne cechy w porównaniu z powierzchniami TNO, co sugeruje, że modyfikacje zaszły w wyniku ich podróży do wnętrza Układu Słonecznego.
Spośród trzech klas typów powierzchni TNO dwie – Bowl i Cliff – zaobserwowano w populacji centaurów, przy czym oba są ubogie w lotne lody, mówi Pinilla-Alonso.
Jednak u centaurów powierzchnie te wykazują cechę wyróżniającą: są pokryte warstwą zakurzonego regolitu zmieszanego z lodem – mówi.
„Co ciekawe, identyfikujemy nową klasę powierzchni, nieistniejącą wśród TNO, przypominającą ubogie w lód powierzchnie w wewnętrznym Układzie Słonecznym, jądra komet i aktywne asteroidy” – mówi.
Javier Licandro, starszy badacz w Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC, Teneryfa, Hiszpania) i główny autor pracy o centaurach twierdzi, że różnorodność widmowa obserwowana u centaurów jest większa niż oczekiwano, co sugeruje, że istniejące modele ich ewolucji termicznej i chemicznej mogą wymagać udoskonalenie.
Na przykład nie w pełni przewidziano różnorodność sygnatur organicznych i stopień zaobserwowanych skutków napromieniowania, mówi Licandro.
„Różnorodność wykryta w populacjach centaurów pod względem wody, pyłu i złożonych substancji organicznych sugeruje zróżnicowane pochodzenie populacji TNO i różne etapy ewolucji, co podkreśla, że centaury nie są jednorodną grupą, ale raczej obiektami dynamicznymi i przejściowymi” – mówi Licandro. „Efekty ewolucji termicznej obserwowane w składzie powierzchni centaurów są kluczem do ustalenia związku między TNO a populacjami innych małych ciał, takich jak nieregularne satelity gigantycznych planet i ich asteroidy trojańskie”.
Współautor badania Charles Schambeau, planetolog z Florida Space Institute (FSI) przy UCF, specjalizujący się w badaniu centaurów i komet, podkreślił znaczenie obserwacji oraz fakt, że niektóre centaury można zaklasyfikować do tych samych kategorii, co TNO obserwowane przez DiSCo.
„Jest to dość istotne, ponieważ kiedy TNO przekształca się w centaura, doświadcza cieplejszego środowiska, w którym zmieniają się lody i materiały na powierzchni” – mówi Schambeau. „Najwyraźniej jednak w niektórych przypadkach zmiany powierzchni są minimalne, co pozwala na powiązanie poszczególnych centaurów z ich macierzystą populacją TNO. Typy widmowe TNO i centaurów są różne, ale na tyle podobne, że można je połączyć”.
Jak przeprowadzono badanie
Badania są częścią projektu Discovering the Surface Composition of the trans-Neptunian Objects (DiSCo), kierowanego przez Pinillę-Alonso, którego celem jest odkrycie składu molekularnego TNO. Pinilla-Alonso jest obecnie wybitnym profesorem w Instytucie Nauki i Technologii Kosmicznej w Asturii na Universidad de Oviedo i wykonywał tę pracę jako planetolog w FSI.
Do badań naukowcy wykorzystali wystrzelony prawie trzy lata temu JWST, który zapewnił bezprecedensowy obraz różnorodności molekularnej powierzchni TNO i centaurów poprzez obserwacje w bliskiej podczerwieni, przezwyciężając ograniczenia obserwacji naziemnych i innych dostępnych instrumentów.
Na potrzeby badania TNO naukowcy zmierzyli widma 54 TNO za pomocą JWST, rejestrując szczegółowe wzorce świetlne tych obiektów. Analizując te widma o wysokiej czułości, badacze mogli zidentyfikować określone cząsteczki na ich powierzchni. Stosując techniki grupowania, TNO podzielono na trzy odrębne grupy na podstawie ich składu powierzchni. Grupom nadano przydomki „Miska”, „Double-dip” i „Cliff” ze względu na kształty ich wzorców pochłaniania światła.
Ustalili, że:
TNO typu miskowego stanowiły 25% próbki i charakteryzowały się silną absorpcją lodu wodnego oraz zapyloną powierzchnią. Wykazywały wyraźne oznaki krystalicznego lodu wodnego i miały niski współczynnik odbicia, co wskazywało na obecność ciemnych, ogniotrwałych materiałów. TNO z podwójnym dipem stanowiły 43% próbki i wykazywały silne pasma dwutlenku węgla (CO2) i pewne oznaki złożonych substancji organicznych. TNO typu klifowego stanowiły 32% próbki i wykazywały silne oznaki obecności złożonych substancji organicznych, metanolu i cząsteczek zawierających azot, a także były najbardziej czerwone.
Na potrzeby badania centaurów naukowcy obserwowali i analizowali widma odbicia pięciu centaurów (52872 Okyrhoe, 3253226 Thereus, 136204, 250112 i 310071). Pozwoliło im to zidentyfikować skład powierzchni centaurów, ujawniając znaczne zróżnicowanie obserwowanej próbki.
Ustalili, że Thereus i 2003 WL7 należą do typu Bowl, natomiast 2002 KY14 należy do typu Cliff. Pozostałe dwa centaury, Okyrhoe i 2010 KR59, nie pasowały do żadnej istniejącej klasy widmowej i zostały sklasyfikowane jako „typu płytkiego” ze względu na ich unikalne widma. Ta nowo zdefiniowana grupa charakteryzuje się wysokim stężeniem prymitywnego pyłu podobnego do komety i niewielką ilością lub żadnymi lotnymi lodami.
Poprzednie badania i kolejne kroki
Pinilla-Alonso twierdzi, że poprzednie badania DiSCo ujawniły obecność tlenków węgla szeroko rozpowszechnionych na powierzchniach TNO, co było znaczącym odkryciem.
„Teraz opieramy się na tym odkryciu, oferując pełniejsze zrozumienie powierzchni TNO” – mówi. „Jednym z najważniejszych odkryć jest to, że lód wodny, wcześniej uważany za najobficiej występujący lód powierzchniowy, nie jest tak powszechny, jak kiedyś zakładaliśmy. Zamiast tego dwutlenek węgla (CO2) – gaz o temperaturze Ziemi – i inne tlenki węgla , takie jak superlotny tlenek węgla (CO), znajdują się w większej liczbie ciał.”
Harvison twierdzi, że wyniki nowego badania to dopiero początek.
„Teraz, gdy mamy ogólne informacje na temat zidentyfikowanych grup składowych, mamy znacznie więcej do zbadania i odkrycia” – mówi. „Jako społeczność możemy zacząć badać szczegóły tego, co doprowadziło do powstania grup, jakie widzimy dzisiaj”.
Badania były wspierane przez NASA w ramach grantu Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego.