Ученые обнаружили CO₂ и льды CO на окраинах Солнечной системы

Впервые льды из углекислого и угарного газа наблюдались в дальних уголках нашей Солнечной системы на транснептуновых объектах (ТНО).

Исследовательская группа под руководством планетологов Марио Насименто Де Пра и Ноэми Пинилья-Алонсо из Космического института Флориды (FSI) Университета Центральной Флориды сделала выводы, используя инфракрасные спектральные возможности космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) для анализа. химический состав 59 транснептуновых объектов и кентавров.

Новаторское исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Природа Астрономия, предполагает, что лед из углекислого газа был в изобилии в холодных внешних областях протопланетного диска, огромного вращающегося диска газа и пыли, из которого сформировалась Солнечная система. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять происхождение льда из угарного газа, поскольку он также распространен на ТНО, участвующих в исследовании.

Исследователи сообщили об обнаружении углекислого газа в 56 TNO и угарного газа в 28 (плюс шесть с сомнительными или незначительными обнаружениями) из выборки из 59 объектов, наблюдавшихся с помощью JWST. По данным исследования, углекислый газ был широко распространен на поверхности транснептуновой популяции, независимо от динамического класса и размера тела, в то время как угарный газ был обнаружен только в объектах с высоким содержанием углекислого газа.

Работа является частью программы «Открытие поверхностного состава транснептуновых объектов» под руководством UCF (DiSCo-TNOs), одной из программ JWST, направленной на анализ нашей солнечной системы.

«Мы впервые наблюдали эту область спектра для большой коллекции ТНО, поэтому в каком-то смысле все, что мы видели, было захватывающим и уникальным», — говорит де Пра, соавтор исследования. «Мы не ожидали, что углекислый газ так широко распространен в регионе ТНО, и тем более, что окись углерода присутствует во многих ТНО».

Открытие льдов может помочь нам понять формирование нашей солнечной системы и то, как небесные объекты могли мигрировать, говорит он.

«Транснептуновые объекты — это реликты процесса формирования планет», — говорит де Пра. «Эти открытия могут наложить важные ограничения на то, где образовались эти объекты, как они достигли региона, в котором они живут сейчас, и как их поверхности развивались с момента их образования. Поскольку они сформировались на больших расстояниях от Солнца и меньше планет, они содержат первозданную информацию об исходном составе протопланетного диска».

Летопись древнего льда

Лед из угарного газа наблюдался на Плутоне зондом «Новые горизонты», но только после того, как JWST создал там обсерваторию, достаточно мощную, чтобы точно определить и обнаружить следы льда из угарного газа или льда из углекислого газа на самой большой популяции ТНО.

Углекислый газ обычно содержится во многих объектах нашей Солнечной системы. Итак, команде DiSCo было любопытно узнать, существует ли он в больших количествах за пределами Нептуна.

Возможные причины отсутствия предыдущих обнаружений льда из углекислого газа на TNO включают более низкое содержание, нелетучий углекислый газ, который со временем оказывается погребенным под слоями другого менее летучего льда и тугоплавкого материала, преобразование в другие молекулы в результате облучения и простые ограничения наблюдений. , согласно исследованию.

По словам де Пра, обнаружение углекислого газа и угарного газа на ТНО дает некоторый контекст, но одновременно поднимает много вопросов.

«Хотя углекислый газ, вероятно, был аккрецирован из протопланетного диска, происхождение угарного газа более неопределенно», — говорит он. «Последний представляет собой летучий лед даже на холодных поверхностях ТНО. Мы не можем исключать, что угарный газ изначально аккрецировался и каким-то образом сохранялся до настоящего времени. Однако данные свидетельствуют о том, что он мог образоваться в результате облучения из углеродсодержащих льдов».

Лавина ответов

Подтверждение присутствия углекислого газа и угарного газа в ТНО открывает множество возможностей для дальнейшего изучения и количественной оценки того, как и почему они присутствуют, говорит Пинилья-Алонсо, который также является соавтором исследования и руководит программой DiSCo-TNO.

«Открытие углекислого газа на транснептуновых объектах было захватывающим, но еще более захватывающими были его характеристики», — говорит она. «Спектральный отпечаток углекислого газа выявил два различных состава поверхности в нашем образце. В некоторых TNO углекислый газ смешан с другими материалами, такими как метанол, водяной лед и силикаты. Однако в другой группе, где углекислый газ и окись углерода являются основными компоненты поверхности — спектральная подпись была поразительно уникальной. Этот резкий отпечаток углекислого газа не похож ни на что, что наблюдалось на других телах Солнечной системы или даже воспроизводилось в лабораторных условиях».

Теперь кажется очевидным, что когда углекислого газа много, он кажется изолированным от других материалов, но это само по себе не объясняет форму полос, говорит Пинилла-Алонсо. По ее словам, понимание этих полос углекислого газа является еще одной загадкой, вероятно, связанной с их уникальными оптическими свойствами и тем, как они отражают или поглощают свет определенных цветов.

Обычно предполагалось, что, возможно, углекислый газ может присутствовать в ТНО, поскольку углекислый газ существует в газообразном состоянии в кометах, которые сопоставимы по составу, говорит Пинилла-Алонсо.

«В кометах мы наблюдаем углекислый газ в виде газа, выделяющегося в результате сублимации льдов на поверхности или чуть ниже ее», — говорит она. «Однако, поскольку углекислый газ никогда не наблюдался на поверхности ТНО, было распространено мнение, что он был пойман под поверхностью. Наши последние результаты опровергают это представление. Теперь мы знаем, что углекислый газ присутствует не только на поверхности ТНО. но он также более распространен, чем водяной лед, который, как мы ранее считали, был наиболее распространенным поверхностным материалом. Это открытие резко меняет наше понимание состава ТНО и предполагает, что процессы, влияющие на их поверхность, более сложны, чем мы предполагали».

Размораживание данных

Соавторы исследования Эльза Эно, аспирант Института пространственной астрофизики Университета Париж-Сакле и Национального центра научных исследований Франции, и Розарио Брюнетто, научный руководитель Эно, привнесли лабораторный и химический подход в интерпретацию наблюдений JWST.

Эно проанализировал и сравнил полосы поглощения углекислого газа и угарного газа на всех объектах. По словам Эно, хотя свидетельств наличия льда было достаточно, существовало большое разнообразие их численности и распределения.

«Пока мы нашли CO₂ Чтобы быть повсеместным в ТНО, он определенно не распределен равномерно», — говорит она. «Некоторые объекты бедны углекислым газом, в то время как другие очень богаты углекислым газом и содержат угарный газ. Некоторые объекты содержат чистый углекислый газ, в то время как другие содержат его смесь с другими соединениями. Связывание характеристик углекислого газа с орбитальными и физическими параметрами позволило нам прийти к выводу, что вариации углекислого газа, вероятно, отражают различные области формирования объектов и раннюю эволюцию».

Анализ показал, что весьма вероятно, что углекислый газ присутствовал в протопланетном диске, однако маловероятно, что угарный газ был первичным, говорит Эно.

«Окись углерода может эффективно образовываться в результате постоянной ионной бомбардировки, исходящей от нашего Солнца или других источников», — говорит она. «В настоящее время мы изучаем эту гипотезу, сравнивая наблюдения с экспериментами по ионному облучению, которые могут воспроизвести условия замораживания и ионизации поверхностей TNO».

Исследование дало определенные ответы на давние вопросы, возникшие еще с момента открытия ТНО почти 30 лет назад, но исследователям еще предстоит пройти долгий путь, говорит Эно.

«Сейчас возникают другие вопросы», — говорит она. «Примечательно, если принять во внимание происхождение и эволюцию монооксида углерода. Наблюдения во всем спектральном диапазоне настолько богаты, что они определенно займут ученых на долгие годы».

Хотя наблюдения по программе DiSCo близки к завершению, анализу и обсуждению результатов еще предстоит пройти долгий путь. По словам де Пра, фундаментальные знания, полученные в результате исследования, станут важным дополнением для будущих планетарных и астрономических исследований.

«Мы лишь поверхностно коснулись того, из чего сделаны эти объекты и как они появились», — говорит он. «Теперь нам необходимо понять взаимосвязь между этими льдами и другими соединениями, присутствующими на их поверхности, и понять взаимодействие между сценарием их формирования, динамической эволюцией, механизмами удержания летучих веществ и облучения на протяжении всей истории Солнечной системы».