Za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) astronomowie zaobserwowali trzy planety karłowate w Pasie Kuipera, odkrywając lekkie węglowodory i złożone cząsteczki. Odkrycia te pogłębiają naszą wiedzę o obiektach w zewnętrznym Układzie Słonecznym i udowadniają możliwości JWST w eksploracji kosmosu.
Pas Kuipera, rozległy obszar na skraju naszego Układu Słonecznego, zapełniony przez niezliczone lodowe obiekty, jest skarbnicą odkryć naukowych. Wykrycie i scharakteryzowanie obiektów Pasa Kuipera (Kuiper Belt objects – KBO), czasami nazywanych obiektami transneptunowymi (trans-Neptunian objects – TNO), doprowadziło do nowego rozumienia historii Układu Słonecznego. Rozmieszczenie KBO jest wskaźnikiem prądów grawitacyjnych, które ukształtowały Układ Słoneczny, i ujawnia dynamiczną historię migracji planet. Od końca XX wieku naukowcy chcieli bliżej przyjrzeć się KBO, aby dowiedzieć się więcej o ich orbitach i składzie.
Badanie ciał w zewnętrznym Układzie Słonecznym jest jednym z wielu celów JWST. Wykorzystując dane uzyskane za pomocą spektrometru bliskiej podczerwieni Webba (NIROSpec), międzynarodowy zespół astronomów zaobserwował trzy planety karłowate w Pasie Kuipera – ich nazwy to Sedna, Gonggong i Quaoar. Obserwacje te ujawniły kilka interesujących rzeczy na temat ich odpowiednich orbit i składu, w tym lekkich węglowodorów i złożonych cząsteczek organicznych, uważanych za produkt napromieniowania metanem.
Pomimo całego postępu w astronomii i eksploracji robotów, to, co wiemy o Regionie Transneptunowym i Pasie Kuipera, jest nadal ograniczone. Jak dotąd jedyną misją badającą Urana, Neptuna i ich główne satelity była misja Voyager 2, która przeleciała obok tych lodowych gigantów odpowiednio w 1986 i 1989 roku. Co więcej, misja New Horizons była pierwszą sondą kosmiczną, która zbadała Plutona i jego satelity (w lipcu 2015 roku) oraz jedyną, która napotkała obiekt w Pasie Kuipera, co miało miejsce 1 stycznia 2019 roku, kiedy sonda przeleciała obok KBO znanego jako Arrokoth.
Na ilustracji: Wizja artystyczna przelotu misji New Horizons obok obiektu Arrokoth w Pasie Kuipera. Źródło: NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko
W badaniach naukowcy wykorzystali dane w bliskiej podczerwieni uzyskane przez JWST dotyczące trzech planetoid w Pasie Kuipera – Sedny, Gonggong i Quaoar. Ciała te mają średnicę około tysiąca kilometrów każe, co plasuje wśród planet karłowatych według klasyfikacji IAU. Ciała te są szczególnie interesujące dla astronomów ze względu na rozmiar, orbity i skład. Inne ciała transneptunowe – takie jak Pluton, Eris, Haumea i Makemake – zachowały na swojej powierzchni lotne lody (azot, metan itp.). Jedynym wyjątkiem jest Haumea, która (najwyraźniej) straciła swoje substancje lotne w wyniku dużego uderzenia. Naukowcy chcieli sprawdzić, czy Sedna, Gonggong i Quaoar również mają podobne substancje lotne na swojej powierzchni.
Chociaż wszystkie planety karłowate mają mniej więcej podobne rozmiary, ich orbity są różne. Sedna to wewnętrzny obiekt Obłoku Oorta z peryhelium 76 AU i aphelium prawie 1000 AU, Gonggong również znajduje się na bardzo eliptycznej orbicie, z peryhelium 33 AU i aphelium ~100 AU, a Quaoar znajduje się na stosunkowo kołowej orbicie w pobliżu 43 AU UA. Orbity te umieszczają ciała w różnych reżimach temperaturowych i różnych środowiskach napromieniowania (na przykład Sedna spędza większość czasu poza heliosferą Słońca). Naukowcy zamierzali zbadać, w jaki sposób te różne orbity mogą wpływać na powierzchnie.
Na ilustracji: Porównanie ośmiu największych obiektów transneptunowych z Ziemią (wszystko w skali). Źródło: NASA/Lexicon
Korzystając z danych z instrumentu NIRSpec na JWST, zespół obserwował wszystkie trzy ciała w trybie pryzmatu o niskiej rozdzielczości przy długościach fal w zakresie od 0,7 do 5,2 mikrometra (µm), umieszczając je wszystkie w widmie bliskiej podczerwieni. Dodatkowe obserwacje Quaoara przeprowadzono w zakresie od 0,97 do 3,16 µm przy użyciu siatek o średniej rozdzielczości przy dziesięciokrotnie większej rozdzielczości widmowej. Uzyskane widma ujawniły kilka interesujących rzeczy na temat tych TNO i składu powierzchni.
Naukowcy odkryli obfite ilości etanu (C2H6) we wszystkich trzech ciałach, przede wszystkim na Sednie. Sedna pokazuje także acetylen (C2H2) i etylen (C2H4). Obfitość ta koreluje z orbitą (najwięcej na Sednie, mniej na Gonggong, najmniej na Quaoar), co jest zgodne ze względnymi temperaturami i środowiskiem napromieniowania. Cząsteczki te są produktami bezpośredniego napromieniania metanu (CH4). Gdyby etan (lub inne związki) znajdował się na powierzchniach przez długi czas, pod wpływem napromieniania uległyby przekształceniu w jeszcze bardziej złożone cząsteczki. Ponieważ wciąż je widzimy, naukowcy podejrzewają, że metan musi być uzupełniany na powierzchnie dość regularnie.
Odkrycia te są spójne z wynikami dwóch ostatnich badań prowadzonych przez dr. Willa Grundy’ego, astronoma z Obserwatorium Lowell (we Flagstaff w Arizonie) i współbadacza misji New Horizons NASA, oraz Chrisa Gleina, planetologa i geochemika w SwRI (Southwest Research Institute w San Antonio w Teksasie). W obu badaniach Grundy, Glien i ich współpracownicy zmierzyli stosunek deuteru do wodoru (D/H) w metanie na planetach Eris i Makemake – i doszli do wniosku, że metan nie był tam od początku. Argumentują oni, że proporcje te wynikają z przetwarzania metanu we wnętrzu każdej planety i dostarczania go na powierzchnię.
Sugerujemy, że to samo może dotyczyć Sedny, Gonggonga i Quaoara – powiedział Emery, główny autor badania. Widzimy również, że widma tych planet różnią się od widm mniejszych obiektów Pasa Kuipera. Na dwóch ostatnich konferencjach odbyły się rozmowy, które pokazały, że dane uzyskane za pomocą JWST, dotyczące mniejszych obiektów Pasa Kuipera, można zebrać w trzech grupach, z których żadna nie wygląda jak Sedna, Gonggong i Quaoar. Wynik ten jest zgodny z tym, że nasze trzy większe ciała mają inną historię geotermalną.
Na ilustracji: Obrazy z jednej z dwóch obserwacji Sedny, Gonggonga i Quaoara za pomocą siatki PRISM. Źródło: Emery, J.P. i in. (2023)
Odkrycia te mogą mieć znaczące implikacje dla badań KBO, TNO i innych obiektów w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Obejmuje to nowe spojrzenie na powstawanie obiektów poza Linią Mrozu w układach planetarnych, tj. linii, powyżej której lotne związki zamarzają w postaci stałej. W naszym Układzie Słonecznym obszar transneptunowy odpowiada linii azotu, gdzie ciała zatrzymują duże ilości substancji lotnych o bardzo niskich temperaturach zamarzania (tj. azot, metan i amoniak). Odkrycia te pokazują, jakiego rodzaju procesy ewolucyjne zachodzą w ciałach w tym regionie:
Główną konsekwencją tych badań może być ustalenie rozmiaru, przy którym KBO nagrzewają się wystarczająco, aby umożliwić ponowne przetworzenie pierwotnych lodów we wnętrzu, a może nawet zróżnicowanie. Możemy wykorzystać te widma, aby lepiej zrozumieć przetwarzanie przez napromieniowanie lodów powierzchniowych w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Przyszłe badania umożliwią także bardziej szczegółowe przyjrzenie się stabilności lotnej i możliwości istnienia atmosfer na tych ciałach w dowolnych częściach ich orbit.
Wyniki tego badania pokazują także możliwości JWST, który wielokrotnie udowodnił swoją wartość od momentu uruchomienia na początku ubiegłego roku. Przypominają nam również, że oprócz umożliwienia nowych wizji i przełomów w zakresie odległych planet, galaktyk i wielkoskalowej struktury Wszechświata, JWST może także ujawnić nowe informacje na temat naszego małego zakątka kosmosu.
Więcej informacji: publikacja “A Tale of 3 Dwarf Planets: Ices and Organics on Sedna, Gonggong, and Quaoar from JWST Spectroscopy”, J. P. Emery i inni, Astrophysics > Earth and Planetary Astrophysics. arXiv:2309.15230
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizualizacja artysty pokazująca nowo odkryty obiekt przypominający planetę, nazwany Sedną, pokazany w miejscu, w którym się znajduje, czyli na zewnętrznych krawędziach znanego Układu Słonecznego. Źródło: NASA/JPL-Caltech
