Forskare upptäcker CO₂- och CO-isar i solsystemets utkanter

by Albert
An artist’s impression of a Kuiper Belt object (KBO), located on the outer rim of our solar system at a staggering distance of 4 billion miles from the Sun. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

För första gången har isar av koldioxid och kolmonoxid observerats på transneptunska objekt (TNO) långt bort i vårt solsystem.

Ett forskarlag, lett av planetforskarna Mário Nascimento De Prá och Noemí Pinilla-Alonso från Florida Space Institute (FSI) vid University of Central Florida, gjorde fynden genom att använda James Webb Space Telescope (JWST) infraröda spektralfunktioner för att analysera den kemiska sammansättningen hos 59 transneptunska objekt och Centaurer.

Den banbrytande studien, som publicerades denna vecka i Nature Astronomy, tyder på att det fanns rikligt med koldioxideis i de kalla yttre regionerna av den protoplanetära skivan, den stora roterande skivan av gas och damm från vilken solsystemet bildades. Ytterligare undersökningar behövs för att förstå kolmonoxidisens ursprung, eftersom den också är vanligt förekommande på TNO:erna i studien.

Forskarna rapporterade detektion av koldioxid i 56 TNO och kolmonoxid i 28 (plus sex med tvivelaktiga eller marginella detektioner), av ett urval av 59 objekt som observerats med JWST. Koldioxid var utbrett på ytorna hos den trans-neptunska populationen, oberoende av den dynamiska klassen och kroppsstorleken medan kolmonoxid endast upptäcktes i objekt med hög koldioxidhalt, enligt studien.

Arbetet är en del av det UCF-ledda Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects-programmet (DiSCo-TNOs), ett av JWST-programmen som fokuserar på att analysera vårt solsystem.

”Det är första gången vi observerar den här delen av spektrumet för en stor samling TNO:er, så på sätt och vis var allt vi såg spännande och unikt”, säger de Prá, som är medförfattare till studien. ”Vi förväntade oss inte att koldioxid skulle vara så allmänt förekommande i TNO-regionen, och ännu mindre att kolmonoxid skulle finnas i så många TNO:er.”

Spektrum från ytan på ett transneptunianskt objekt som är rikt på flyktiga kolhaltiga isar, erhållet med JWST som en del av DiSCo Large-programmet. Absorptioner av koldioxid (CO2), dess isotopolog (13CO2) och kolmonoxid är markerade med gult. Ljuset från solen (nära mitten av bilden) är nedtonat miljarder kilometer bort, där de transneptunska objekten finns. Grafisk återgivning: William Gonzalez Sierra, Florida Space Institute

Spektrum från ytan på ett transneptunianskt objekt som är rikt på flyktiga kolhaltiga isar, erhållet med JWST som en del av DiSCo Large-programmet. Absorptioner av koldioxid (CO2), dess isotopolog (13CO2) och kolmonoxid är markerade med gult. Ljuset från solen (nära mitten av bilden) är nedtonat miljarder kilometer bort, där de transneptunska objekten finns. Grafisk återgivning: William Gonzalez Sierra, Florida Space Institute

Upptäckten av isarna kan ytterligare hjälpa oss att förstå bildandet av vårt solsystem och hur himlakroppar kan ha migrerat, säger han.

”Transneptunska objekt är kvarlevor från planetbildningsprocessen”, säger de Prá. ”Dessa fynd kan ge viktiga svar på var dessa objekt bildades, hur de nådde den region där de befinner sig i dag och hur deras ytor har utvecklats sedan de bildades. Eftersom de bildades på större avstånd från solen och är mindre än planeterna innehåller de den mest ursprungliga informationen om den protoplanetära skivans ursprungliga sammansättning.”

Krönika om forntida is

Kolmonoxidis observerades på Pluto av sonden New Horizons, men det var först med JWST som det fanns ett observatorium som var tillräckligt kraftfullt för att lokalisera och upptäcka spår av kolmonoxidis eller koldioxidis på den största populationen av TNO:er.

Koldioxid är vanligt förekommande i många objekt i vårt solsystem. DiSCo-teamet var därför nyfiket på att se om det fanns i större mängder utanför Neptunus.

Möjliga orsaker till att man inte tidigare har upptäckt koldioxidis på TNO:er är bland annat en lägre förekomst, att icke-flyktig koldioxid med tiden begravs under lager av andra mindre flyktiga isar och eldfasta material, omvandling till andra molekyler genom bestrålning och enkla observationsbegränsningar, enligt studien.

Upptäckten av koldioxid och kolmonoxid på TNO:erna ger ett visst sammanhang, men väcker också många frågor, säger de Prá.

”Medan koldioxiden troligen har ackumulerats från den protoplanetära skivan är kolmonoxidens ursprung mer osäkert”, säger han. ”Den senare är en flyktig is även på TNO:ernas kalla ytor. Vi kan inte utesluta att kolmonoxiden ursprungligen ackumulerades och på något sätt behölls fram till idag. Uppgifterna tyder dock på att den kan ha producerats genom bestrålning från kolhaltiga isar.”

En lavin av svar

Att bekräfta förekomsten av koldioxid och kolmonoxid på TNO:er öppnar många möjligheter att ytterligare studera och kvantifiera hur eller varför de finns där, säger Pinilla-Alonso, som också var medförfattare till studien och leder DiSCo-TNOs-programmet.

”Upptäckten av koldioxid på trans-neptunska objekt var spännande, men dess egenskaper var ännu mer fascinerande”, säger hon. ”Koldioxidens spektrala avtryck avslöjade två distinkta ytkompositioner i vårt urval. I vissa TNO:er är koldioxiden blandad med andra material som metanol, vattenis och silikater. Men i en annan grupp – där koldioxid och kolmonoxid är de viktigaste ytkomponenterna – var den spektrala signaturen slående unik. Detta tydliga koldioxidavtryck är olikt allt som observerats på andra kroppar i solsystemet eller till och med replikerats i laboratoriemiljöer.”

Det verkar nu klart att när det finns mycket koldioxid verkar den vara isolerad från andra material, men detta förklarar inte bandformen, säger Pinilla-Alonso. Att förstå dessa koldioxidband är ett annat mysterium, som sannolikt är kopplat till deras unika optiska egenskaper och hur de reflekterar eller absorberar specifika färger av ljus, säger hon.

En vanlig teori har varit att koldioxid kan förekomma i TNO eftersom koldioxid finns i gasform i kometer, som är jämförbara till sin sammansättning, säger Pinilla-Alonso.

”I kometer observerar vi koldioxid som en gas som frigörs genom sublimering av is på eller strax under ytan”, säger hon. ”Men eftersom koldioxid aldrig har observerats på ytan av TNO:er har den allmänna uppfattningen varit att den är instängd under ytan. Våra senaste rön omkullkastar denna uppfattning. Vi vet nu att koldioxid inte bara finns på ytan av TNO:er utan också är vanligare än vattenis, som vi tidigare trodde var det vanligaste ytmaterialet. Detta avslöjande förändrar dramatiskt vår förståelse av TNO:ernas sammansättning och tyder på att de processer som påverkar deras ytor är mer komplexa än vi insett.”

Upptining av data

Studiens medförfattare Elsa Hénault, doktorand vid Institut d’Astrophysique Spatiale vid Université Paris-Saclay och French National Center of Scientific Research, och Rosario Brunetto, Hénaults handledare, tillförde ett laboratorie- och kemiskt perspektiv i tolkningen av JWST-observationerna.

Hénault analyserade och jämförde absorptionsbanden för koldioxid och kolmonoxid för alla objekt. Även om det fanns gott om bevis för isen, fanns det en stor mångfald i överflöd och distribution, säger Hénault.

”Även om vi fann att koldioxid är allmänt förekommande i TNO:er, är den definitivt inte jämnt fördelad”, säger hon. ”Vissa objekt är fattiga på koldioxid medan andra är mycket rika på koldioxid och uppvisar kolmonoxid. Vissa objekt visar ren koldioxid medan andra har den blandad med andra föreningar. Genom att koppla koldioxidens egenskaper till omloppsbana och fysiska parametrar kunde vi dra slutsatsen att koldioxidvariationer sannolikt är representativa för objektens olika bildningsregioner och tidiga utveckling.”

Analysen visar att det är mycket troligt att koldioxid förekom i den protoplanetära skivan, men att det är osannolikt att kolmonoxid var en ursprunglig förening, säger Hénault.

”Kolmonoxid kan bildas effektivt genom det ständiga jonbombardemanget från vår sol eller andra källor”, säger hon. ”Vi undersöker för närvarande denna hypotes genom att jämföra observationerna med jonbestrålningsexperiment som kan återskapa frys- och joniseringsförhållandena på TNO-ytorna.”

Forskningen har gett några definitiva svar på frågor som ställts ända sedan TNO upptäcktes för nästan 30 år sedan, men forskarna har fortfarande en lång väg kvar att gå, säger Hénault.

”Andra frågor väcks nu”, säger hon. ”Framför allt när det gäller kolmonoxidens ursprung och utveckling. Observationerna över hela spektralområdet är så rika att de definitivt kommer att hålla forskarna sysselsatta i många år framöver.”

Även om observationerna inom DiSCo-programmet närmar sig sitt slut har analysen och diskussionen av resultaten fortfarande en lång väg kvar att gå. Den grundläggande kunskap som studien har gett kommer att visa sig vara ett viktigt komplement för framtida forskning inom planetvetenskap och astronomi, säger de Prá.

”Vi har bara skrapat på ytan av vad dessa objekt är gjorda av och hur de kom till”, säger han. ”Vi måste nu förstå förhållandet mellan dessa isar och de andra föreningar som finns i deras ytor och förstå samspelet mellan deras bildningsscenario, dynamiska utveckling, kvarhållande av flyktiga ämnen och bestrålningsmekanismer genom solsystemets historia.”

Ytterligare information: Mário N. De Prá et al, Widespread CO2 and CO ices in the trans-Neptunian population revealed by JWST/DiSCo-TNOs, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02276-x

Related Articles

Leave a Comment