НАСА разкрива древните повърхности на Транснептунови обекти

Транснептуновите обекти (ТНО) са ледени тела с размери от Плутон и Ерида (планети джуджета с диаметър около 1500 мили) до десетки мили (Арокот) и дори по-малки. ТНО са на орбити, сравними по размер или дори много по-големи от тази на Нептун. Съществуването на ТНО е постулирано от Кенет Еджуърт, а по-късно и от Джерард Кайпер, през 50-те години на миналия век; регионът в пространството, зает от ТНО, обикновено се нарича пояс на Кайпер, а самите ТНО понякога се наричат ​​обекти от пояса на Кайпер (ОПК).

Орбитите на ТНО са изключително разнообразни, но попадат в групи, които отразяват навъншната миграция на Уран и Нептун в началото на историята на формирането на Слънчевата система. Като такива, ТНО държат ключовете за разбирането на тази ранна история. Въпреки това, космическият телескоп „Джеймс Уеб“ на НАСА и неговата несравнима способност да изучава материалите по повърхностите на транснеотропните обекти (ТНО) бяха необходими, за да започнем напълно да разбираме какво могат да ни кажат за нашия произход. Тук Брайън Холър и Джон Стансбери от Научния институт за космически телескопи (STScI) в Балтимор описват как Уеб разширява познанията ни за тези обекти.

Изображения на транснептуновите обекти (ТНО) Плутон [вляво] и Арокот [вдясно], основните цели на прелитане на космическия кораб New Horizons на НАСА през 2015 и 2019 г. Космическият телескоп James Webb на НАСА е способен да получава наблюдения за задълбочени изследвания на широк спектър от ТНО, които едновременно допълват и надхвърлят наученото от New Horizons.

Плутон е първият открит транснеземен обект (ТНО) през 1930 г. от Клайд Томбо в обсерваторията Лоуел. Едва през 1992 г. е открит вторият ТНО (1992 QB1, сега наречен Албион) от Дейв Джуит от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Джейн Луу от Масачузетския технологичен институт. Към днешна дата са идентифицирани над 5000 ТНО. Орбитите на ТНО разкриват „архитектура“, която записва историята на това как орбитите на Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун са еволюирали в началото на историята на Слънчевата система. Компютърните модели показват, че докато Уран и Нептун са мигрирали навън в първичния диск на ТНО, те са изхвърлили много обекти и са насочили останалите ТНО към орбитите, които виждаме днес. Тези съвременни орбити са класифицирани въз основа на техните орбитални разстояния, ексцентричност (елиптичност на орбитата) и наклон (наклон спрямо равнината, в която орбитират планетите). Особен интерес представляват обектите на динамично „студени“ класически орбити, с много нисък наклон и ексцентричност. Компютърните модели показват, че тези студено-класически обекти все още заемат своите първични орбити и следователно представляват необезпокояван остатък от оригиналния протопланетен диск. Тези ТНО наистина представляват девствените градивни елементи на планетите, а един от тях, Арокот, беше посетен и проучен отблизо от космическия кораб New Horizons през януари 2019 г.

От ТНО, чиито орбити бяха смутени по време на миграцията на гигантски планети, е трудно да се проследят до мястото, където са се образували. И все пак само чрез изучаване на състава на отделните ТНО можем да се надяваме да картографираме състава на първичния външен диск. ТНО са на много отдалечени орбити от Слънцето и са много студени, под минус 280 градуса по Фаренхайт (около минус 170 градуса по Целзий), така че техните повърхности биха могли да предоставят информация за оригиналния състав на планетезималите в диска. Уеб е първата обсерватория, способна да предостави подробна информация за състава на типични транснуклеарни обекти (с диаметри по-малки от около 800 километра), благодарение на голямото си първично огледало и високочувствителни инструменти. По-специално, Близкият инфрачервен спектрограф (NIRSpec) за първи път разкри състава на Трансхептуновите обекти с изключителни детайли.

 Спектри за трите спектрални класа на TNO, идентифицирани за първи път с помощта на данни от космическия телескоп James Webb на НАСА. Дебелата плътна линия във всеки панел е средната стойност на над дузина TNO спектри във всеки клас. Отличителни характеристики във всеки спектър са маркирани и/или обозначени с името на молекулата или класа материали, отговорни за абсорбцията при тези дължини на вълните.

NIRSpec на Webb разделя светлината с дължини на вълните между около 1 и 5 микрона на стотици или хиляди отделни цвята. Относителната яркост на тези цветове като функция на дължината на вълната е спектър. Различните материали показват различни спектри, които помагат да се идентифицира съставът на наблюдавания обект. Тъй като TNO са се образували в студените, външни части на протопланетарния диск, отдавна се очаква, че те ще имат повърхности, доминирани от ледове от молекули, които са газове или течности на земната повърхност, например вода (H2O), въглероден диоксид (CO2), азот (N2) и метан (CH4), наред с други. Освен това, радиацията от Слънцето и извън Слънчевата система променя химията, създавайки нови, по-сложни въглеводородни (органични) молекули като метанол (CH3OH), ацетилен (C2H2) и етан (C2H6). Данните на Webb потвърждават това, но по неочаквани начини и с безпрецедентни подробности.

В рамките на първите две години от научните си дейности, Webb е направил висококачествени спектри на над 75  TNO и е предоставил първия цялостен поглед върху това от какво са съставени, включително близо 60 обекта от програмата Large Cycle 1, наречена „DiSCo-TNOs“ (идентификатор на програмата #2418, PI: Noemí Pinilla-Alonso). Основният резултат от големия набор от данни от програмата DiSCo-TNOs е идентифицирането на три спектрални класа, което е първото доказателство за различни повърхностни състави, което беше напълно неочаквано въз основа на по-ранни изследвания. Тези класификации са наречени въз основа на спектралната форма в областта 2,5–4 микрона, с най-дълбоката лента, центрирана при 3,0 микрона, генерирана от молекули, които съдържат кислород-водородна връзка, като например вода. Спектрите тип „купа“ са доминирани от абсорбционните характеристики на воден лед, с известен лед от въглероден диоксид и индикации за богат на силикати прах. Двойно-потопните спектри имат абсорбционни характеристики, дължащи се на сложни органични молекули, лед от въглероден диоксид и въглероден оксид. Спектрите на скалите имат дори по-сложни органични материали и въглероден диоксид от двойните потапяния, а също така включват характеристики, дължащи се на CH3OH. Спектрите на двойните потапяния показват много обилен и чист лед от въглероден диоксид, както се вижда от двата пика на отражение (никога не наблюдавани извън лаборатория), ограничаващи лентата от 4,27 микрона. Трите спектрални типа също се различават по цвета си при най-късите видими дължини на вълните, като купите са най-слабо червени, двойните потапяния - междинни, а скалите - най-червени.

Екипът на DiSCo-TNOs предполага в Pinilla-Alonso et al. (2024), че тези различни спектрални типове са резултат от по-високи температури по-близо до Слънцето и по-студени температури по-далеч. По-конкретно, типовете купи са се образували по-близо до Слънцето и са били подложени на по-високи температури, които по същество са изпекли въглеродния диоксид и метана. Тези съединения са били по-стабилни при двойните потапяния и скалите, които са се образували по-далеч. Важна улика, водеща до тази хипотеза, е, че всички обекти на ненарушени студено-класически орбити са скали. ТНО на други орбити включват обекти от всичките три композиционни типа, както би се очаквало поради динамичното пренареждане, докато Нептун мигрира навън, както е описано по-горе.

С поглед напред, Webb продължава да изпълнява стабилна програма от наблюдения на ТНО всяка година, с нови и вълнуващи програми, избрани от общността за изпълнение. Цикъл 3 ще включва изображения и спектроскопия на шепа ТНО и техните спътници, включително първите по рода си спектрални наблюдения на „екстремните“ ТНО, с орбити, които ги отвеждат дълбоко в междузвездното пространство. Друга програма има за цел да се върне към цели, наблюдавани през първата година от научните операции, за да получи още по-подробен поглед върху материалите, довели до образуването на ТНО в протосоларната мъглявина. Две други програми се фокусират върху изображения и спектроскопия на двойни ТНО системи, за да се разбере по-добре произходът на спътниците на ТНО, или чрез гигантски удари, или чрез съвместно образуване чрез гравитационен колапс. Кой знае какви нови идеи и вълнуващи открития ще донесе следващата година?

Източник: NASA