Новые исследования, проведенные исследователями из Университета Центральной Флориды, впервые предлагают более четкую картину того, как формировалась и развивалась внешняя Солнечная система, на основе анализа транснептуновых объектов (ТНО) и кентавров.
Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Astronomy, показывают распределение льда в ранней Солнечной системе и то, как ТНО развиваются по мере продвижения в регион гигантской планеты между Юпитером и Сатурном и становятся кентаврами.
ТНО — это небольшие тела, или «планетезимали», которые вращаются вокруг Солнца за пределами Плутона. Они никогда не объединялись в планеты и служат первозданными капсулами времени, сохраняя важные свидетельства молекулярных процессов и планетарных миграций, которые сформировали Солнечную систему миллиарды лет назад. Эти объекты Солнечной системы напоминают ледяные астероиды и имеют орбиты, сравнимые с орбитой Нептуна или превышающие ее.
До нового исследования под руководством UCF было известно, что TNO представляют собой разнообразную популяцию в зависимости от их орбитальных свойств и цвета поверхности, но молекулярный состав этих объектов все еще был плохо изучен. Отсутствие детальных знаний затрудняло интерпретацию их разнообразия цветов и динамики на протяжении десятилетий. Теперь новые результаты проясняют давний вопрос интерпретации цветового разнообразия, предоставляя информацию о составе.
«Благодаря этому новому исследованию представлена более полная картина разнообразия, и части головоломки начинают складываться воедино», — говорит Ноэми Пинилья-Алонсо, ведущий автор исследования.
«Впервые мы идентифицировали конкретные молекулы, ответственные за удивительное разнообразие спектров, цветов и альбедо, наблюдаемых в транснептуновых объектах», — говорит Пинилла-Алонсо. «Эти молекулы, такие как водяной лед, углекислый газ, метанол и сложная органика, позволяют нам установить прямую связь между спектральными свойствами ТНО и их химическим составом».
Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), исследователи обнаружили, что TNO можно разделить на три группы разного состава, образованные линиями удержания льда, которые существовали, когда Солнечная система формировалась миллиарды лет назад.
Эти линии идентифицированы как области, где температура была достаточно низкой для того, чтобы определенные типы льда сформировались и выжили внутри протопланетного диска. Эти регионы, определяемые их расстоянием от Солнца, отмечают ключевые точки температурного градиента ранней Солнечной системы и обеспечивают прямую связь между условиями формирования планетезималей и их современным составом.
Розарио Брунетто, второй автор статьи и исследователь Национального центра научных исследований при Институте пространственной астрофизики (Университет Париж-Сакле), говорит, что полученные результаты являются первой явной связью между образованием планетезималей в протопланетном диске. и их более позднее формирование Evolution. По его словам, работа проливает свет на то, как спектральные и динамические распределения, наблюдаемые сегодня, возникли в планетной системе, характеризующейся сложной динамической эволюцией.
«Группы состава ТНО неравномерно распределены среди объектов со схожими орбитами», — говорит Брунетто. «Например, холодная классика, сформировавшаяся в самых отдаленных регионах протопланетного диска, принадлежит исключительно к классу, в котором доминируют метанол и сложная органика. Напротив, все ТНО на орбитах, связанных с облаком Оорта, которое сформировалось ближе к планетам-гигантам, принадлежат к спектральной группе, характеризующейся водяным льдом и силикатами».
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Бриттани Харвисон, аспирантка физики UCF, которая работала над проектом во время учебы у Пинилла-Алонсо, говорит, что три группы, определяемые составом их поверхности, обладают свойствами, которые указывают на композиционную структуру протопланетного диска.
«Это подтверждает наше понимание доступного материала, который способствовал формированию тел во внешней Солнечной системе, таких как газовые гиганты и их спутники или Плутон и другие обитатели транснептуновой области», — говорит она.
В дополнительном исследовании кентавров, опубликованном в том же выпуске журнала Nature Astronomy, исследователи обнаружили уникальные спектральные характеристики, отличные от TNO, что указывает на наличие покрытий из пыльного реголита на их поверхности.
Это открытие о кентаврах, которые представляют собой ТНО, сместившие свои орбиты в область планеты-гиганта после тесного гравитационного столкновения с Нептуном, помогает пролить свет на то, как ТНО становятся кентаврами по мере приближения к Солнцу и иногда у них появляются кометоподобные хвосты.
Их работа показала, что все наблюдаемые поверхности Кентавров имели особые свойства по сравнению с поверхностями ТНО, что позволяет предположить, что изменения произошли в результате их путешествия во внутреннюю часть Солнечной системы.
По словам Пинилла-Алонсо, из трех классов типов поверхности TNO два — чаша и скала — наблюдались в популяции кентавров, оба из которых бедны летучим льдом.
Но у кентавров эти поверхности имеют отличительную особенность: они покрыты слоем пыльного реголита, смешанного со льдом, говорит она.
«Интересно, что мы идентифицируем новый класс поверхности, которого нет в ТНО и который похож на бедные льдом поверхности во внутренней части Солнечной системы, ядра комет и активные астероиды», — говорит она.
Хавьер Ликандро, старший научный сотрудник Канарского института астрофизики (IAC, Тенерифе, Испания) и ведущий автор статьи о кентаврах, говорит, что спектральное разнообразие, наблюдаемое у кентавров, больше, чем ожидалось, предполагая, что существующие модели их термического и химического развития возможно, потребуется доработка.
Например, разнообразие органических сигнатур и масштабы наблюдаемых радиационных эффектов не были полностью предвидены, говорит Ликандро.
«Разнообразие, обнаруженное в популяциях кентавров с точки зрения воды, пыли и сложного органического вещества, предполагает различное происхождение популяции TNO и разные стадии развития, подчеркивая, что кентавры не являются однородной группой, а скорее динамическими и переходными объектами», — говорит Ликандро.
«Эффекты тепловой эволюции, наблюдаемые в составе поверхности кентавров, являются ключом к определению взаимосвязи между ТНО и другими популяциями малых тел, таких как неправильные спутники планет-гигантов и их троянские астероиды».
Соавтор исследования Чарльз Шамбо, планетолог из Космического института Флориды (FSI) UCF, который специализируется на изучении кентавров и комет, подчеркнул важность наблюдений и то, что некоторые кентавры могут быть отнесены к тем же категориям, что и TNO, наблюдаемые DiSCo.
«Это очень важно, потому что, когда TNO превращается в кентавра, он попадает в более теплую среду, в которой изменяются поверхностный лед и материалы», — говорит Шамбо. «Однако, похоже, что в некоторых случаях поверхностные изменения минимальны, что позволяет связать отдельных кентавров с их родительской популяцией ТНО. Спектральные типы ТНО и Кентавра различны, но достаточно похожи, чтобы их можно было связать».
Как проводилось исследование
Исследования являются частью проекта «Открытие поверхностного состава транснептуновых объектов» (DiSCo), возглавляемого Пиниллой-Алонсо, целью которого является раскрытие молекулярного состава ТНО. Пинилья-Алонсо в настоящее время является заслуженным профессором Астурийского института космических наук и технологий Университета Овьедо и работал планетологом в FSI.
Для исследований исследователи использовали JWST, запущенный почти три года назад, который предоставил беспрецедентное понимание молекулярного разнообразия поверхностей ТНО и Кентавров посредством наблюдений в ближнем инфракрасном диапазоне, преодолевая ограничения наземных наблюдений и других доступных инструментов.
В рамках исследования TNO исследователи измерили спектры 54 TNO с помощью JWST, фиксируя подробные диаграммы света от этих объектов. Анализируя эти высокочувствительные спектры, исследователи смогли идентифицировать определенные молекулы на их поверхности. Используя методы кластеризации, ТНО были разделены на три разные группы в зависимости от состава их поверхности. Из-за формы структуры поглощения света группы получили прозвища «Чаша», «Двойное погружение» и «Утес».
Они обнаружили, что:
- ТНО типа «ракушка» составляли 25% выборки и характеризовались сильным поглощением водяного льда и запыленной поверхностью. Они имели явные признаки кристаллического водяного льда и имели низкую отражательную способность, что указывает на присутствие темных тугоплавких материалов.
- ТНО двойного погружения составили 43% образца и показали сильные полосы углекислого газа (CO2) и некоторые признаки сложной органики.
- ТНО скального типа составляли 32% образца, демонстрировали явные признаки сложных органических веществ, метанола и азотсодержащих молекул и имели самый красный цвет.
В рамках исследования кентавров исследователи наблюдали и анализировали спектры отражения пяти кентавров (52872 Okyrhoe, 3253226 Thereus, 136204, 250112 и 310071). Это позволило им определить состав поверхности кентавров, выявив значительное разнообразие в наблюдаемой выборке.
Они установили, что Терей и 2003 WL7 относятся к чашечному типу, а 2002 KY14 – к скальному типу. Остальные два кентавра, Okyrhoe и 2010 KR59, не вписывались ни в один существующий спектральный класс и были отнесены к категории «плоского типа» из-за своих уникальных спектров. Эта недавно определенная группа характеризуется высокой концентрацией примитивной кометной пыли и практически полным отсутствием летучего льда.
Предыдущие исследования и следующие шаги
Пинилла-Алонсо говорит, что предыдущие исследования DiSCo показали широкое присутствие оксидов углерода на поверхности TNO, что стало важным открытием.
«Теперь мы развиваем это понимание, обеспечивая более полное понимание поверхностей TNO», — говорит она. «Одним из важных открытий является то, что водяной лед, который когда-то считался наиболее распространенным поверхностным льдом, не так широко распространен, как мы когда-то думали. Вместо этого углекислый газ (CO₂) — газ при температуре Земли — и другие оксиды углерода, такие как сверхлетучий оксид углерода (CO), обнаружены в большем количестве тел».
Результаты нового исследования — это только начало, говорит Харвисон.
«Теперь, когда у нас есть общая информация об выявленных группах состава, нам предстоит еще многое изучить и открыть», — говорит она. «Как сообщество, мы можем начать изучать особенности того, что привело к появлению групп, которые мы видим сегодня».
Предоставлено Университетом Центральной Флориды.
