JWST предлагает новый взгляд на ледяные планетезимали Солнечной системы

Новые исследования, проведенные учеными из Университета Центральной Флориды, впервые предлагают более четкую картину того, как формировалась и развивалась внешняя часть Солнечной системы, на основе анализа транснептуновых объектов (ТНО) и кентавров.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Astronomy, раскрывают распределение льдов в ранней Солнечной системе и то, как транснептуновые объекты эволюционируют, когда они перемещаются внутрь, в область планет-гигантов между Юпитером и Сатурном, превращаясь в кентавров.

ТНО — это малые тела, или «планетезимали», вращающиеся вокруг Солнца за пределами Плутона. Они никогда не аккрецировались 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 похожи на ледяные астероиды и имеют орбиты, сопоставимые или превышающие орбиту Нептуна.

До нового исследования под руководством UCF было известно, что ТНО представляют собой разнообразную популяцию, основанную на их орбитальных свойствах и цвете поверхности, но молекулярный состав этих объектов оставался плохо изученным. В течение десятилетий этот недостаток подробных знаний мешал интерпретации их цветового и динамического разнообразия. Теперь новые результаты открывают давний вопрос интерпретации цветового разнообразия, предоставляя информацию о составе.

«Благодаря этому новому исследованию представлена ​​более полная картина разнообразия, и части головоломки начинают складываться в единое целое», — говорит Ноэми Пинилья-Алонсо, ведущий автор исследования.

«Впервые мы идентифицировали конкретные молекулы, ответственные за замечательное разнообразие спектров, цветов и альбедо, наблюдаемое в транснептуновых объектах», — сказал он. «Эти молекулы — такие как водяной лед, углекислый газ, метанол и сложная органика — дают нам прямую связь между спектральными характеристиками транснептуновых объектов и их химическим составом».

С помощью космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) исследователи обнаружили, что ТНО можно разделить на три различные композиционные группы, сформированные линиями удержания льда, существовавшими в эпоху формирования Солнечной системы миллиарды лет назад.

Эти линии определяются как области, где температуры были достаточно низкими для того, чтобы определенные льды сформировались и выжили в протопланетном диске. Эти области, определяемые их расстоянием от Солнца, отмечают ключевые точки в градиенте температур ранней Солнечной системы и предлагают прямую связь между условиями формирования планетезималей и их современным составом.

Росарио Брунетто, второй автор статьи и научный сотрудник Национального центра научных исследований Института астрофизики (Университет Париж-Сакле), говорит, что результаты являются первой четкой связью между образованием планетезималей в протопланетном диске и их дальнейшей эволюцией. Работа проливает свет на то, как наблюдаемые сегодня спектральные и динамические распределения возникли в планетарной системе, сформированной сложной динамической эволюцией, говорит он.

«Составные группы транснептуновых объектов неравномерно распределены среди объектов со схожими орбитами», — говорит Росарио Брунетто. «Например, холодные классические объекты, которые образовались в самых внешних областях протопланетного диска, принадлежат исключительно к классу, в котором доминируют метанол и сложная органика. Напротив, транснептуновые объекты на орбитах, связанных с облаком Оорта, которые возникли ближе к гигантским планетам, все являются частью спектральной группы, характеризующейся водяным льдом и силикатами».

Три группы, определяемые составом их поверхности, демонстрируют качества, указывающие на композиционную структуру протопланетного диска. «Это подтверждает наше понимание имеющегося материала, который помог сформировать внешние тела Солнечной системы, такие как газовые гиганты и их луны, а также Плутон и других обитателей транснептунового региона».

В дополнительном исследовании кентавров, опубликованном в том же выпуске Nature Astronomy, исследователи обнаружили уникальные спектральные сигнатуры, отличные от ТНО, которые указывают на наличие пылевых реголитовых мантий на их поверхности.

Это открытие, касающееся кентавров, представляющих собой транснептуновые объекты, сместившие свои орбиты в область планет-гигантов после тесного гравитационного взаимодействия с Нептуном, помогает пролить свет на то, как транснептуновые объекты становятся кентаврами по мере того, как они нагреваются при приближении к Солнцу и иногда развивают кометоподобные хвосты.

Работа показала, что все наблюдаемые поверхности кентавров демонстрируют особые характеристики по сравнению с поверхностями транснептуновых объектов, что позволяет предположить, что изменения произошли в результате их путешествия во внутреннюю часть Солнечной системы.

По словам исследователей, среди трех классов типов поверхности ТНО два — Bowl и Cliff — были обнаружены в популяции кентавров, оба из которых бедны летучими льдами. Однако у кентавров эти поверхности имеют отличительную особенность: они покрыты слоем пыльного реголита, смешанного со льдом.

«Интересно, что мы идентифицируем новый класс поверхностей, не существующий среди транснептуновых объектов, напоминающий обедненные льдом поверхности во внутренней части Солнечной системы, ядра комет и активные астероиды».

Хавьер Ликандро, старший научный сотрудник Института астрофизики Канарских островов (IAC, Тенерифе, Испания) и ведущий автор работы о кентаврах, говорит, что спектральное разнообразие, наблюдаемое у кентавров, шире, чем ожидалось, что говорит о том, что существующие модели их тепловой и химической эволюции, возможно, нуждаются в уточнении.

Например, по его словам, разнообразие органических признаков и степень наблюдаемых эффектов облучения не были полностью предсказаны.

«Разнообразие, обнаруженное в популяциях кентавров с точки зрения воды, пыли и сложной органики, предполагает различное происхождение популяции ТНО и различные стадии эволюции, подчеркивая, что кентавры не являются однородной группой, а скорее динамичными и переходными объектами», — говорит Хавьер Ликандро. «Эффекты тепловой эволюции, наблюдаемые в поверхностном составе кентавров, являются ключом к установлению связи между ТНО и другими популяциями малых тел, такими как нерегулярные спутники планет-гигантов и их троянские астероиды».

Исследование было поддержано НАСА посредством гранта от Научного института космического телескопа.