Artystyczna wizja obiektu Pasa Kuipera (KBO), znajdującego się na zewnętrznym obrzeżu naszego Układu Słonecznego, w oszałamiającej odległości 4 miliardów mil od Słońca. Źródło: NASA, ESA i G. Bacon (STScI)
Zespół badawczy kierowany przez UCF odkrył znaczną obecność starożytnych lodów z dwutlenku i tlenku węgla na obiektach transneptunowych, co wskazuje, że dwutlenek węgla mógł być obecny podczas formowania się naszego Układu Słonecznego.
Po raz pierwszy na obiektach transneptunowych wykryto lody składające się z dwutlenku i tlenku węgla (TNO) w najbardziej oddalonych regionach naszego Układu Słonecznego.
Zespół badawczy, kierowany przez planetologów Mário Nascimento De Prá i Noemí Pinilla-Alonso z Florida Space Institute (FSI) na Uniwersytecie Centralnej Florydy, dokonał odkryć, wykorzystując możliwości widma podczerwonego sondy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) do analizy składu chemicznego 59 obiektów transneptunowych i centaurów.
Pionierskie badanie, opublikowane w Astronomia Przyrodnicza, sugeruje, że w zimnych zewnętrznych obszarach kontynentu występowały obfite ilości lodu z dwutlenku węgla dysk protoplanetarnyogromny wirujący dysk gazu i pyłu, z którego powstał Układ Słoneczny. Konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć pochodzenie lodu zawierającego tlenek węgla, ponieważ występuje on również powszechnie w TNO objętych badaniem.
Badacze zgłosili wykrycie dwutlenku węgla w 56 TNO i tlenku węgla w 28 (plus sześć z wątpliwymi lub marginalnymi wykryciami) z próbki 59 obiektów zaobserwowanych za pomocą JWST. Z badania wynika, że dwutlenek węgla był szeroko rozpowszechniony na powierzchniach populacji transneptunowej, niezależnie od klasy dynamicznej i wielkości ciała, podczas gdy tlenek węgla wykryto jedynie w obiektach o dużej zawartości dwutlenku węgla.
Widmo powierzchni obiektu transneptunowego bogatego w lotne lody węglowe uzyskane za pomocą JWST w ramach dużego programu DiSCo. Absorpcje dwutlenku węgla (CO2), jego izotopologu (13CO2) i tlenku węgla zaznaczono na żółto. Światło Słońca (blisko środka zdjęcia) jest przyćmione miliardy kilometrów dalej, gdzie znajdują się obiekty trans-Neptuna. Źródło: William Gonzalez Sierra, Instytut Kosmiczny Florydy
Praca jest częścią prowadzonego przez UCF programu Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs), jednego z programów JWST skupiających się na analizie naszego Układu Słonecznego.
„Po raz pierwszy obserwowaliśmy ten obszar widma dla dużej kolekcji TNO, więc w pewnym sensie wszystko, co widzieliśmy, było ekscytujące i wyjątkowe” – mówi de Prá, współautorka badania. „Nie spodziewaliśmy się, że dwutlenek węgla będzie tak wszechobecny w regionie TNO, a tym bardziej, że tlenek węgla będzie obecny w tak wielu TNO”.
Odkrycie lodów może nam jeszcze bardziej pomóc w zrozumieniu powstawania naszego Układu Słonecznego i sposobu, w jaki mogły migrować ciała niebieskie, mówi.
„Obiekty transneptunowe są pozostałościami procesu powstawania planet” – mówi de Prá. „Odkrycia te mogą nałożyć istotne ograniczenia dotyczące miejsca powstania tych obiektów, sposobu, w jaki dotarły do regionu, w którym obecnie zamieszkują, oraz ewolucji ich powierzchni od czasu ich powstania. Ponieważ powstały w większych odległościach od Słońca i są mniejsze niż planety, zawierają nieskazitelne informacje o pierwotnym składzie dysku protoplanetarnego.”
Kronika starożytnego lodu
Zaobserwowano lód zawierający tlenek węgla Pluton przez sondę New Horizons, ale dopiero w JWST powstało obserwatorium wystarczająco potężne, aby wskazać i wykryć ślady lodu zawierającego tlenek węgla lub dwutlenek węgla na największej populacji TNO.
Dwutlenek węgla powszechnie występuje w wielu obiektach naszego Układu Słonecznego. Dlatego zespół DiSCo był ciekawy, czy istnieje w większych ilościach poza zasięgiem Neptun.
Możliwe przyczyny braku wcześniejszych wykryć lodu z dwutlenku węgla na TNO obejmują mniejszą liczebność, nielotny dwutlenek węgla zakopywany z biegiem czasu pod warstwami innych mniej lotnych lodów i materiałów ogniotrwałych, przekształcanie się w inne cząsteczki poprzez napromienianie i proste ograniczenia obserwacyjne według badania.
Odkrycie dwutlenku i tlenku węgla w TNO dostarcza pewnego kontekstu, jednocześnie rodzi wiele pytań, mówi de Prá.
„Chociaż dwutlenek węgla prawdopodobnie przybył z dysku protoplanetarnego, pochodzenie tlenku węgla jest bardziej niepewne” – mówi. „To ostatnie jest lotnym lodem nawet na zimnych powierzchniach TNO. Nie możemy wykluczyć, że tlenek węgla pierwotnie nagromadził się i w jakiś sposób pozostał do chwili obecnej. Dane sugerują jednak, że może on powstawać w wyniku napromieniowania lodów zawierających węgiel”.
Lawina odpowiedzi
Potwierdzenie obecności dwutlenku węgla i tlenku węgla na TNO otwiera wiele możliwości dalszych badań i ilościowego określenia, w jaki sposób i dlaczego są one obecne, mówi Pinilla-Alonso, która jest także współautorką badania i kieruje programem DiSCo-TNOs.
„Odkrycie dwutlenku węgla na obiektach transneptunowych było ekscytujące, ale jeszcze bardziej fascynujące były jego cechy” – mówi. „Widmowy ślad dwutlenku węgla ujawnił dwa różne składy powierzchni naszej próbki. W niektórych TNO dwutlenek węgla miesza się z innymi materiałami, takimi jak metanol, lód wodny i krzemiany. Jednakże w innej grupie – gdzie dwutlenek i tlenek węgla są głównymi składnikami powierzchni – sygnatura widmowa była uderzająco wyjątkowa. Ten wyraźny ślad dwutlenku węgla nie przypomina niczego, co zaobserwowano na innych ciałach Układu Słonecznego, a nawet odtworzono w warunkach laboratoryjnych.
Obecnie wydaje się jasne, że gdy dwutlenek węgla występuje w dużych ilościach, wydaje się on odizolowany od innych materiałów, ale samo to nie wyjaśnia kształtu pasma, mówi Pinilla-Alonso. Zrozumienie pasm dwutlenku węgla to kolejna tajemnica, prawdopodobnie związana z ich unikalnymi właściwościami optycznymi oraz sposobem, w jaki odbijają lub pochłaniają określone kolory światła – mówi.
Powszechnie snuto teorię, że być może dwutlenek węgla może być obecny w TNO, ponieważ dwutlenek węgla występuje w stanie gazowym w kometach o porównywalnym składzie, mówi Pinilla-Alonso.
„W kometach obserwujemy dwutlenek węgla w postaci gazu uwalnianego w wyniku sublimacji lodów na powierzchni lub tuż pod jej powierzchnią” – mówi. „Ponieważ jednak dwutlenek węgla nigdy nie był obserwowany na powierzchni TNO, powszechnie uważano, że jest on uwięziony pod powierzchnią. Nasze najnowsze odkrycia podważają tę opinię. Wiemy teraz, że dwutlenek węgla występuje nie tylko na powierzchni TNO, ale występuje także częściej niż lód wodny, który wcześniej uważaliśmy za najobficiej występujący materiał powierzchniowy. To odkrycie radykalnie zmienia nasze rozumienie składu TNO i sugeruje, że procesy wpływające na ich powierzchnie są bardziej złożone, niż nam się wydawało”.
Rozmrażanie danych
Współautorki badania Elsa Hénault, doktorantka w Institut d’Astrophysique Spatiale na Uniwersytecie Paris-Saclay i we francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych, oraz Rosario Brunetto, promotor Hénault, wnieśli perspektywę laboratoryjną i chemiczną do interpretacji obserwacji JWST.
Hénault przeanalizował i porównał pasma absorpcji dwutlenku węgla i tlenku węgla we wszystkich obiektach. Chociaż istniało wiele dowodów na istnienie lodu, istniało duże zróżnicowanie pod względem liczebności i rozmieszczenia – mówi Hénault.
„Chociaż odkryliśmy, że CO2 jest wszechobecny w TNO, z pewnością nie jest on równomiernie rozłożony” – mówi. „Niektóre obiekty są ubogie w dwutlenek węgla, podczas gdy inne są bardzo bogate w dwutlenek węgla i wykazują tlenek węgla. Niektóre obiekty wykazują czysty dwutlenek węgla, podczas gdy inne mają go zmieszanego z innymi związkami. Powiązanie charakterystyki dwutlenku węgla z parametrami orbitalnymi i fizycznymi pozwoliło nam stwierdzić, że zmiany dwutlenku węgla są prawdopodobnie reprezentatywne dla różnych obszarów formowania się obiektów i wczesnej ewolucji.”
Z analizy wynika, że jest bardzo prawdopodobne, że w dysku protoplanetarnym znajdował się dwutlenek węgla, jednak jest mało prawdopodobne, aby tlenek węgla był pierwotny, mówi Hénault.
„Tlenek węgla może skutecznie powstawać w wyniku ciągłego bombardowania jonami pochodzącymi z naszego słońca lub z innych źródeł” – mówi. „Obecnie badamy tę hipotezę, porównując obserwacje z eksperymentami z napromieniowaniem jonowym, które mogą odtworzyć warunki zamarzania i jonizacji powierzchni TNO”.
Badania przyniosły pewne odpowiedzi na zadawane od dawna pytania, których początki sięgają odkrycia TNO prawie 30 lat temu, ale przed badaczami jeszcze długa droga, mówi Hénault.
„Teraz pojawiają się inne pytania” – mówi. „W szczególności biorąc pod uwagę pochodzenie i ewolucję tlenku węgla. Obserwacje w całym zakresie widmowym są tak bogate, że z pewnością zajmą naukowców przez wiele lat.”
Chociaż obserwacje programu DiSCo dobiegają końca, przed analizą i dyskusją wyników jeszcze długa droga. Podstawowa wiedza zdobyta w wyniku badania okaże się ważnym uzupełnieniem przyszłych badań planetarnych i astronomicznych, mówi de Prá.
„Zaledwie zarysowaliśmy powierzchnię tego, z czego te przedmioty są wykonane i jak powstały” – mówi. „Teraz musimy zrozumieć związek między tymi lodami z innymi związkami obecnymi na ich powierzchniach i zrozumieć wzajemne oddziaływanie między scenariuszem ich powstawania, dynamiczną ewolucją, retencją lotnych substancji i mechanizmami napromieniania w historii Układu Słonecznego”.
Odniesienie: „Rozpowszechnione lody CO2 i CO w populacji transneptunowej ujawnione przez JWST/DiSCo-TNO” autorstwa Mário N. De Prá, Elsa Hénault, Noemí Pinilla-Alonso, Bryan J. Holler, Rosario Brunetto, John A. Stansberry, Ana Carolina de Souza Feliciano, Jorge M. Carvano, Brittany Harvison, Javier Licandro, Thomas G. Müller, Nuno Peixinho, Vania Lorenzi, Aurélie Guilbert-Lepoutre, Michele T. Bannister, Yvonne J. Pendleton, Dale P. Cruikshank, Charles A Schambeau, Lucas McClure i Joshua P. Emery, 22 maja 2024 r., Astronomia Przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02276-x
Badania sfinansowała firma NASA.
