JWST виявив вуглецеві льоди в далеких куточках Сонячної системи

Дослідницька група під керівництвом UCF виявила значну присутність стародавнього льоду вуглекислого та чадного газу на транснептунових об’єктах, що вказує на те, що вуглекислий газ міг бути присутнім під час формування нашої Сонячної системи. Вперше льоди з вуглекислого та окису вуглецю були виявлені на транснептунових об’єктах (TNO) у найвіддаленіших регіонах нашої Сонячної системи.

Дослідницька група під керівництвом планетологів Маріо Насіменто Де Пра та Ноемі Пінілья-Алонсо з Флоридського космічного інституту (FSI) Університету Центральної Флориди зробила висновки, використовуючи для аналізу інфрачервоні спектральні можливості космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST). хімічний склад 59 транснептунових об’єктів і кентаврів.

Піонерське дослідження, опубліковане в Nature Astronomy, припускає, що лід з вуглекислого газу був у великій кількості в холодних зовнішніх областях протопланетного диска, величезного обертового диска газу та пилу, з якого утворилася Сонячна система. Потрібне подальше дослідження, щоб зрозуміти походження льоду чадного газу, оскільки він також поширений у TNOs у дослідженні.

Дослідники повідомили про виявлення вуглекислого газу в 56 TNO і чадного газу в 28 (плюс шість із сумнівними або незначними виявленнями) із вибірки з 59 об’єктів, які спостерігалися за допомогою JWST. Відповідно до дослідження, вуглекислий газ був широко поширений на поверхнях транснептунової популяції, незалежно від динамічного класу та розміру тіла, тоді як чадний газ був виявлений лише в об’єктах з високим вмістом вуглекислого газу.

Ця робота є частиною програми Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs) під керівництвом UCF, однієї з програм JWST, спрямованих на аналіз нашої Сонячної системи.

«Ми вперше спостерігали цю область спектра для великої колекції TNO, тому в певному сенсі все, що ми побачили, було захоплюючим і унікальним», — каже де Пра, який є співавтором дослідження. «Ми не очікували виявити, що вуглекислий газ настільки всюдисущий у регіоні TNO, і тим більше, що чадний газ присутній у багатьох TNO».

Відкриття льоду може додатково допомогти нам зрозуміти формування нашої Сонячної системи та те, як небесні об’єкти могли мігрувати, каже він.

«Транснептунові об’єкти є залишками процесу формування планет», — говорить де Пра. «Ці знахідки можуть накласти важливі обмеження щодо того, де утворилися ці об’єкти, як вони потрапили в регіон, де мешкають зараз, і як змінилася їх поверхня з моменту їх формування. Оскільки вони утворилися на більшій відстані від Сонця і менші за планети, вони містять незайману інформацію про початковий склад протопланетного диска».

Хроніка стародавнього льоду

Зонд New Horizons спостерігав лід чадного газу на Плутоні, але до тих пір, поки JWST не з’явилася досить потужна обсерваторія, щоб визначити та виявити сліди льоду чадного газу або льоду вуглекислого газу на найбільшій популяції TNO.

Вуглекислий газ зазвичай міститься в багатьох об’єктах нашої Сонячної системи. Отже, команді DiSCo було цікаво дізнатися, чи існує він у більшій кількості за межами досяжності Нептуна .

Можливі причини відсутності попередніх виявлень льоду вуглекислого газу на TNO включають меншу кількість, нелеткий вуглекислий газ, який з часом похований під шарами інших менш летючих льодів і вогнетривких матеріалів, перетворення в інші молекули через опромінення та прості обмеження спостереження, згідно з дослідженням.

Відкриття двоокису вуглецю та чадного газу на TNO надає певний контекст, а також викликає багато питань, каже де Пра.

«Хоча вуглекислий газ, ймовірно, накопичувався з протопланетного диска, походження чадного газу більш невизначене», — каже він. «Останній є летючим льодом навіть на холодних поверхнях TNO. Ми не можемо виключити, що окис вуглецю спочатку накопичувалася і якимось чином зберігалася до теперішнього часу. Однак дані свідчать про те, що він може бути отриманий в результаті опромінення вуглецевого льоду».

Лавина відповідей

Підтвердження присутності вуглекислого та чадного газу на TNOs відкриває багато можливостей для подальшого вивчення та кількісного визначення того, як і чому вони присутні, каже Пінілла-Алонсо, яка також є співавтором дослідження та очолює програму DiSCo-TNOs.

«Відкриття вуглекислого газу на транснептунових об’єктах було захоплюючим, але ще більш захоплюючими були його характеристики», — каже вона. «Спектральний відбиток вуглекислого газу виявив два різних склади поверхні в нашому зразку. У деяких ТНО вуглекислий газ змішується з іншими матеріалами, такими як метанол, водяний лід і силікати. Однак в іншій групі — де двоокис вуглецю та монооксид вуглецю є основними поверхневими компонентами — спектральний підпис був разюче унікальним. Цей різкий відбиток вуглекислого газу не схожий ні на що, що спостерігалося на інших тілах Сонячної системи або навіть відтворене в лабораторних умовах».

Зараз здається очевидним, що коли вуглекислий газ надлишок, він здається ізольованим від інших матеріалів, але саме по собі це не пояснює форму смуги, каже Пінілла-Алонсо. Розуміння цих смуг вуглекислого газу є ще однією загадкою, ймовірно, пов’язаною з їхніми унікальними оптичними властивостями та тим, як вони відбивають або поглинають певні кольори світла, каже вона.

Поширена теорія про те, що, можливо, вуглекислий газ може бути присутнім у TNO, оскільки вуглекислий газ існує в газоподібному стані в кометах, які порівнюються за складом, каже Пінілла-Алонсо.

«На кометах ми спостерігаємо вуглекислий газ як газ, який виділяється в результаті сублімації льоду на поверхні або трохи нижче», — каже вона. «Однак, оскільки вуглекислий газ ніколи не спостерігався на поверхні TNO, загальна думка полягала в тому, що він був захоплений під поверхнею. Наші останні відкриття спростовують це уявлення. Тепер ми знаємо, що вуглекислий газ присутній не лише на поверхні TNO, але й більш поширений, ніж водяний лід, який, як ми раніше вважали, був найпоширенішим поверхневим матеріалом. Це відкриття різко змінює наше розуміння складу TNO і свідчить про те, що процеси, що впливають на їх поверхні, є складнішими, ніж ми думали».

Розморожування даних

Співавтори дослідження Ельза Ено, докторант Інституту просторової астрофізики Університету Париж-Сакле та Французького національного центру наукових досліджень, і Розаріо Брунетто, науковий керівник Ено, привнесли лабораторні та хімічні точки зору в інтерпретацію спостережень JWST.

Ено проаналізував і порівняв смуги поглинання вуглекислого та монооксиду вуглецю для всіх об’єктів. Хоча було достатньо доказів існування льоду, існувала велика різноманітність у кількості та розподілі, говорить Ено.

«Хоча ми виявили, що CO2 повсюдно поширений у TNO, він точно не розподілений рівномірно», — каже вона. «Деякі об’єкти бідні на вуглекислий газ, а інші дуже багаті вуглекислим газом і виявляють чадний газ. Деякі об’єкти демонструють чистий вуглекислий газ, тоді як інші містять його в суміші з іншими сполуками. Пов’язування характеристик вуглекислого газу з орбітальними та фізичними параметрами дозволило нам зробити висновок, що варіації вуглекислого газу, ймовірно, є репрезентативними для різних регіонів утворення об’єктів та ранньої еволюції».

Згідно з аналізом, дуже ймовірно, що вуглекислий газ був присутній у протопланетному диску, однак, монооксид вуглецю навряд чи був первинним, говорить Ено.

«Оксид вуглецю може ефективно утворюватися під час постійного іонного бомбардування від нашого сонця чи інших джерел», — каже вона. «Зараз ми досліджуємо цю гіпотезу, порівнюючи спостереження з експериментами з іонним опроміненням, які можуть відтворити умови замерзання та іонізації поверхонь TNO».

Дослідження дало певні відповіді на давні питання, що виникли ще з моменту відкриття TNO майже 30 років тому, але дослідникам ще попереду довгий шлях, каже Ено.

«Зараз виникають інші питання», — каже вона. «Окремо, враховуючи походження та еволюцію чадного газу. Спостереження в усьому спектральному діапазоні настільки багаті, що, безсумнівно, зацікавлять вчених на довгі роки».

Хоча спостереження за програмою DiSCo наближаються до завершення, аналіз та обговорення результатів ще попереду. Фундаментальні знання, отримані в результаті дослідження, стануть важливим доповненням для майбутніх планетологічних та астрономічних досліджень, каже де Пра.

«Ми лише подряпали поверхню того, з чого зроблені ці об’єкти та як вони з’явилися», – каже він. «Тепер нам потрібно зрозуміти зв’язок між цими льодами та іншими сполуками, присутніми на їхніх поверхнях, і зрозуміти взаємодію між сценарієм їх утворення, динамічною еволюцією, утриманням летючих речовин і механізмами опромінення протягом всієї історії Сонячної системи».