James Webb розкриває таємниці народження нашої Сонячної системи

Дослідники з Університету Центральної Флориди революціонізували наше розуміння формування Сонячної системи, зробивши новаторські відкриття про транснептунові об’єкти (TNO) і кентаврів. Використовуючи космічний телескоп Джеймса Вебба , дослідження розкриває складний молекулярний склад цих небесних тіл, простежуючи їхні еволюційні шляхи від холодних окраїн Сонячної системи до їхньої динамічної ролі кентаврів ближче до Сонця.

Розкриття таємниць транснептунових об’єктів

Нове дослідження Університету Центральної Флориди забезпечує більш чітке розуміння того, як формувалася та розвивалася зовнішня Сонячна система, завдяки детальному аналізу транснептунових об’єктів (TNO) і кентаврів.

Дослідження , опубліковане 19 грудня в Nature Astronomy , розкриває розподіл льоду в ранній Сонячній системі та пояснює, як змінюються TNO, коли вони рухаються всередину до планет-гігантів, перетворюючись на кентаврів у регіоні між Юпітером і Сатурном .

TNO — це малі небесні тіла, які часто називають «планетезималями», які обертаються навколо Сонця за Плутоном . Ці стародавні останки ніколи не об’єднувалися в планети і діють як незаймані капсули часу, зберігаючи ключові докази молекулярних процесів і міграцій планет, які сформували Сонячну систему мільярди років тому. Подібно до крижаних астероїдів, ці об’єкти мають орбіти, подібні до орбіти Нептуна або навіть більші за них.

Розшифровка складу ТНО

До нового дослідження під керівництвом UCF було відомо, що TNO були різноманітною популяцією на основі їхніх орбітальних властивостей і кольорів поверхні, але молекулярний склад цих об’єктів залишався погано вивченим. Протягом десятиліть цей брак детальних знань перешкоджав інтерпретації їхнього кольору та динамічного різноманіття. Тепер нові результати відкривають давнє питання інтерпретації різноманітності кольорів, надаючи інформацію про композицію.

«Завдяки цьому новому дослідженню представлено більш повну картину різноманітності, і шматочки головоломки починають складатися», — каже Ноемі Пінілья-Алонсо, провідний автор дослідження.

«Вперше ми ідентифікували конкретні молекули, відповідальні за дивовижне розмаїття спектрів, кольорів і альбедо, які спостерігаються в транснептунових об’єктах», — говорить Пінілла-Алонсо. «Ці молекули, такі як водяний лід, вуглекислий газ, метанол і складні органічні речовини, дають нам прямий зв’язок між спектральними характеристиками TNO та їх хімічним складом».

Новаторські відкриття з JWST

Використовуючи космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), дослідники виявили, що TNO можна класифікувати на три окремі композиційні групи, сформовані лініями утримання льоду, які існували в епоху, коли Сонячна система сформувалася мільярди років тому.

Ці лінії визначаються як регіони, де температура була достатньо низькою, щоб у протопланетному диску утворився та вижив певний лід . Ці регіони, визначені їхньою віддаленістю від Сонця, позначають ключові точки в температурному градієнті ранньої Сонячної системи та забезпечують прямий зв’язок між умовами формування планетезималей та їхнім сучасним складом.

Розаріо Брунетто, другий автор статті та дослідник Національного центру наукових досліджень Інституту просторової астрофізики (Університет Париж-Сакле), каже, що результати є першим чітким зв’язком між утворенням планетезималей у протопланетному диску та їх пізнішою еволюцією. . Робота проливає світло на те, як спостережувані сьогодні спектральні та динамічні розподіли виникли в планетарній системі, яка сформована складною динамічною еволюцією, каже він.

«Композиційні групи TNO нерівномірно розподілені між об’єктами зі схожими орбітами», — каже Брунетто. «Наприклад, холодні класики, які утворилися в найвіддаленіших регіонах протопланетного диска, належать виключно до класу, де домінують метанол і складна органіка. Навпаки, TNO на орбітах, пов’язаних із хмарою Оорта, яка виникла ближче до планет-гігантів, усі є частиною спектральної групи, що характеризується водяним льодом і силікатами».

Бріттані Харвісон, докторант фізики UCF, яка працювала над проектом під час навчання під керівництвом Пінілья-Алонсо, каже, що три групи, визначені складом їх поверхні, демонструють якості, що вказують на композиційну структуру протопланетного диска.

«Це підтверджує наше розуміння наявного матеріалу, який допоміг сформувати зовнішні тіла Сонячної системи, такі як газові гіганти та їхні супутники або Плутон та інші мешканці транснептунового регіону», — каже вона.

Уявлення про перетворення Кентавра

У додатковому дослідженні кентаврів, опублікованому в тому ж томі журналу Nature Astronomy , дослідники виявили унікальні спектральні сигнатури, відмінні від TNO, які вказують на наявність пилових мантій реголіту на їх поверхні. Цей висновок про кентаврів, які є TNO, які змістили свої орбіти в область планет-гігантів після близького гравітаційного зіткнення з Нептуном, допомагає прояснити, як TNO стають кентаврами, коли вони нагріваються, наближаючись до сонця, і іноді стають кометними. хвости.

Перехідна природа кентаврів

Їхня робота показала, що всі спостережувані поверхні кентаврів показали особливі характеристики в порівнянні з поверхнями TNO, що свідчить про те, що зміни відбулися внаслідок їхньої подорожі у внутрішню частину Сонячної системи.

Серед трьох класів типів поверхні TNO, два — Чаша та Скеля — спостерігалися в популяції кентаврів, обидва з яких бідні на летючий лід, каже Пінілла-Алонсо. Однак у кентаврів ці поверхні демонструють відмінну рису: вони вкриті шаром пилового реголіту, змішаного з льодом, каже вона.

«Інтригуючим є те, що ми ідентифікуємо новий клас поверхні, якого немає серед TNO, схожий на бідні льодом поверхні у внутрішній Сонячній системі, кометні ядра та активні астероїди», — каже вона.

Хав’єр Лікандро, старший науковий співробітник Інституту астрофізики Канарських островів (IAC, Тенеріфе, Іспанія) і провідний автор дослідження кентаврів, каже, що спектральне розмаїття, яке спостерігається у кентаврів, є ширшим, ніж очікувалося, що свідчить про те, що існуючі моделі їх термічної та хімічної еволюції можуть знадобитися. уточнення.

Наприклад, різноманітність органічних сигнатур і ступінь спостережуваних ефектів опромінення не були повністю передбачені, каже Лікандро.

«Різноманіття, виявлене в популяціях кентаврів з точки зору води, пилу та складної органіки, свідчить про різне походження популяції TNO та різні етапи еволюції, підкреслюючи, що кентаври не є однорідною групою, а скоріше динамічними та перехідними об’єктами», — каже Лікандро. «Ефекти теплової еволюції, що спостерігаються у складі поверхні кентаврів, є ключовими для встановлення зв’язку між TNO та іншими популяціями малих тіл, такими як неправильні супутники планет-гігантів та їхні троянські астероїди».

Співавтор дослідження Чарльз Шамбо, планетолог Флоридського космічного інституту (FSI) UCF, який спеціалізується на вивченні кентаврів і комет, підкреслив важливість спостережень і те, що деякі кентаври можуть бути віднесені до тих самих категорій, що й TNO, спостережувані DiSCo.

«Це досить глибоко, оскільки коли TNO перетворюється на кентавра, він відчуває тепліше середовище, де змінюються поверхневі льоди та матеріали», — говорить Шамбо. «Однак, мабуть, у деяких випадках зміни поверхні мінімальні, що дозволяє пов’язати окремих кентаврів з їх батьківською популяцією TNO. Спектральні типи TNO проти кентавра різні, але достатньо схожі, щоб їх можна було пов’язати».

Комплексний молекулярний аналіз TNO

Дослідження є частиною проекту Discovering the Surface Composition of the Trans-Neptunian Objects (DiSCo), очолюваного Пінілла-Алонсо, з метою виявлення молекулярного складу TNO. Зараз Пінілья-Алонсо є видатним професором Інституту космічної науки та технологій в Астурії в Університеті Ов’єдо та виконував роботу як планетолог з FSI.

Для досліджень дослідники використовували JWST, запущений майже три роки тому, який забезпечив безпрецедентне бачення молекулярного різноманіття поверхонь TNO та кентаврів за допомогою спостережень у ближньому інфрачервоному діапазоні, подолавши обмеження наземних спостережень та інших доступних інструментів.

Важливі висновки та напрямки майбутніх досліджень

Для дослідження TNO дослідники виміряли спектри 54 TNO за допомогою JWST, зафіксувавши детальні моделі світла цих об’єктів. Аналізуючи ці високочутливі спектри, дослідники могли ідентифікувати конкретні молекули на їх поверхні. Використовуючи методи кластеризації, TNOs були класифіковані на три окремі групи на основі їх складу поверхні. Групи отримали прізвиська «Чаша», «Подвійний занурення» та «Скеля» через форми їх світлопоглинання.

Вони виявили, що:

• ТНО чашевого типу становили 25% зразка і характеризувались сильним поглинанням водяного льоду та пиловою поверхнею. Вони демонстрували чіткі ознаки кристалічного водяного льоду та мали низьку відбивну здатність, що вказувало на присутність темних тугоплавких матеріалів.
• TNO з подвійним зануренням становили 43% зразка і показали сильні смуги вуглекислого газу (CO2) і деякі ознаки складної органіки.
• TNO типу скелі становили 32% зразка і мали сильні ознаки складної органіки, метанолу та молекул, що містять азот, і були найчервонішими за кольором.

Для дослідження кентаврів дослідники спостерігали та аналізували спектри відбиття п’яти кентаврів (52872 Okyrhoe, 3253226 Thereus, 136204, 250112 і 310071). Це дозволило їм ідентифікувати склади поверхні кентаврів, виявивши значну різноманітність серед досліджуваних зразків.

Вони виявили, що Thereus і 2003 WL7 належать до типу Чаша, тоді як 2002 KY14 належить до типу Кліфф. Решта два кентаври, Okyrhoe і 2010 KR59, не вписувалися ні в один існуючий спектральний клас і були віднесені до категорії «мілкого типу» через їхні унікальні спектри. Ця нещодавно визначена група характеризується високою концентрацією примітивного, схожого на комети пилу та майже без летючих льодів.

Попереднє дослідження та наступні кроки

Пінілла-Алонсо каже, що попередні дослідження DiSCo виявили наявність оксидів вуглецю, широко поширених на поверхнях TNO , що було значним відкриттям.

«Тепер ми спираємося на це відкриття, пропонуючи більш повне розуміння поверхонь TNO», — каже вона. «Одним із великих усвідомлень є те, що водяний лід, який раніше вважався найпоширенішим поверхневим льодом, не такий поширений, як ми колись припускали. Натомість вуглекислий газ (CO₂) — газ із земною температурою — та інші оксиди вуглецю, такі як надлетючий чадний газ (CO), містяться у більшій кількості тіл».

Результати нового дослідження – це лише початок, каже Харвісон.

«Тепер, коли ми маємо загальну інформацію про ідентифіковані композиційні групи, нам потрібно ще багато чого дослідити та відкрити», — каже вона. «Як спільнота, ми можемо почати досліджувати специфіку того, що породило групи, як ми їх бачимо сьогодні».