De James Webb-ruimtetelescoop houdt de Kuipergordel in de gaten: Sedna, Gongong en Kuar

De Kuipergordel, het uitgestrekte gebied aan de rand van ons zonnestelsel dat wordt bewoond door talloze ijskoude lichamen, is een schatkamer aan wetenschappelijke ontdekkingen. De ontdekking en karakterisering van Kuipergordelobjecten (KBO’s), ook wel Trans-Neptuniaanse objecten (TNO’s) genoemd, heeft geleid tot een nieuw begrip van de geschiedenis van het zonnestelsel. Het afstoten van objecten uit de Kuipergordel is een indicator van de zwaartekrachtstromen die het zonnestelsel hebben gevormd en onthult een dynamische geschiedenis van planetaire migraties. Sinds het einde van de 20e eeuw willen wetenschappers objecten uit de Kuipergordel van dichterbij bekijken om meer te weten te komen over hun banen en samenstelling.

Het bestuderen van objecten in de buitenste delen van het zonnestelsel is een van de vele doelen van het zonnestelsel James Webb-ruimtetelescoop (JWST). Met behulp van gegevens verkregen door Webb Nabij-infraroodspectrometer (NIRSpec) heeft een internationaal team van astronomen drie dwergplaneten in de Kuipergordel waargenomen: Sedna, Jungjung en Kwar. Deze waarnemingen brachten veel interessante dingen aan het licht over hun banen en samenstelling, waaronder lichte koolwaterstoffen en complexe organische moleculen waarvan wordt gedacht dat ze het product zijn van methaanbestraling.

Hij begeleidde het onderzoek Joshua Emery, universitair hoofddocent astronomie en planetaire wetenschappen aan de Northern Arizona University. Hij werd vergezeld door onderzoekers van NASA’s Goddard Space Flight Center (GSFC). Instituut voor Ruimtelijke Astrofysica (Université Parijs-Saclay). Pinhead Instituutde Florida Space Instituut (Universiteit van Centraal-Florida). Lowell-observatoriumde Zuidwest Onderzoeksinstituut (Swei), en Wetenschappelijk Instituut voor Ruimtetelescopen (STScI), Amerikaanse universiteit. en Cornell Universiteit. Een voordruk van hun artikel is online verschenen en wordt beoordeeld voor publicatie door Ikarus.

Ondanks alle vooruitgang in de astronomie en robotachtige ontdekkingsreizigers is wat we weten over Trans-Neptunus en de Kuipergordel nog steeds beperkt. Tot nu toe was de enige missie om Uranus, Neptunus en hun belangrijkste satellieten te bestuderen een missie Reiziger 2 De missie vloog respectievelijk in 1986 en 1989 langs deze twee ijsreuzen. Bovendien is de nieuwe horizonten Deze missie was het eerste ruimtevaartuig dat Pluto en zijn manen bestudeerde (in juli 2015) en de enige die een Kuipergordel-object tegenkwam, wat plaatsvond op 1 januari 2019, toen het dicht bij de Kuipergordel vloog, bekend als Arrokoth.

Dit is een van de vele redenen waarom astronomen reikhalzend hebben uitgekeken naar de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop. Naast het bestuderen van exoplaneten en de oudste sterrenstelsels in het universum zijn krachtige infraroodbeelden ook op onze achtertuin gericht, waardoor nieuwe beelden van Mars, Jupiter en hun grootste satellieten zijn onthuld. Voor hun onderzoek vertrouwden Emery en zijn collega’s op nabij-infraroodgegevens verkregen door Webb voor drie planeten in de Kuipergordel: Sedna, Gungong en Kuar. Deze objecten hebben een diameter van ongeveer 1.000 km (620 mijl), waardoor ze binnenin liggen Classificatie van dwergplaneten door de Internationale Astronomische Unie.

Zoals Emery via e-mail aan Universe Today vertelde, zijn deze objecten bijzonder interessant voor astronomen vanwege hun grootte, banen en composities. Andere trans-Neptuniaanse objecten – zoals Pluto, Eris, Haumea en Makemake – hebben vluchtig ijs op hun oppervlak vastgehouden (stikstof, methaan, enz.). De enige uitzondering is Haumea, dat zijn vluchtige stoffen met een (blijkbaar) aanzienlijk effect verloor. Zoals Emery zei, ze wilden weten of Sedna, Goggong en Quaoar ook soortgelijke vluchtige stoffen op hun oppervlak hadden:

“Eerder onderzoek heeft aangetoond dat dit mogelijk zou kunnen zijn. Hoewel ze allemaal ongeveer even groot zijn, zijn hun banen verschillend. Sedna is een object uit de binnenste Oortwolk met een perihelium van 76 AU en een apogeum van ongeveer 1.000 AU. Gunggung bevindt zich in een elliptische baan Ook extreem, met een perihelium van 33 AU en een apogeum van ~100 AU, bevindt Cowar zich in een relatief cirkelvormige baan nabij 43 AU. Deze banen plaatsen objecten in verschillende temperatuurregimes en verschillende stralingsomgevingen (Sedna brengt bijvoorbeeld de meeste tijd door). tijd buiten de heliosfeer van de zon. We wilden onderzoeken hoe die verschillende banen de oppervlakken beïnvloeden. Er bevinden zich ook andere interessante ijssoorten en complexe organische materialen op de oppervlakken.

Met behulp van gegevens van het Webb NIRSpec-instrument observeerde het team alle drie de objecten in prismamodus met lage resolutie bij golflengten van 0,7 tot 5,2 micrometer (μm), waardoor ze allemaal in het nabij-infraroodspectrum terechtkwamen. Aanvullende Quaoar-waarnemingen werden gedaan van 0,97 tot 3,16 μm met behulp van rasters met gemiddelde resolutie en tien keer de spectrale resolutie. De resulterende spectra onthulden een aantal interessante dingen over deze TNO-objecten en hun oppervlaktesamenstellingen, zei Emery:

“We hebben een overvloed aan ethaan (C2H6) gevonden op de drie lichamen, met name op Sedna. Sedna vertoont ook acetyleen (C2H2) en ethyleen (C2H4). De overvloed is gerelateerd aan de baan (de meeste op Sedna, minder op Gunggung, en tenminste op Kuwar), wat consistent is met relatieve temperaturen en stralingsomgevingen. Deze moleculen zijn producten van directe bestraling met methaan (CH4). Als ethaan (of iets anders) lange tijd op oppervlakken aanwezig was geweest, zou het zijn omgezet in complexere moleculen door bestraling. Omdat we ze nog steeds zien, betwijfelen we of daken vrij regelmatig moeten worden bijgetankt met methaan (CH4).

Deze bevindingen komen overeen met die gepresenteerd in een paar recente onderzoeken die hij leidde Dr. Will Grundyeen astronoom bij Lowell Observatory en een onderzoeksmedewerker bij NASA nieuwe horizonten taak, en Chris Glenn, een planetaire wetenschapper en geochemicus bij SwRI. In beide onderzoeken maten Grundy, Glenn en hun collega’s de deuterium/waterstof (D/H) verhoudingen in methaan op Iris en Makemake en concludeerden dat het methaan niet primitief was. In plaats daarvan, zo beweren ze, zijn de verhoudingen het gevolg van het feit dat methaan binnenin wordt verwerkt en aan de oppervlakte wordt afgeleverd.

“We suggereren dat hetzelfde geldt voor Sedna, Gonggong en Quaoar,” zei Emery. “We zien ook dat de spectra van Sedna, Goonggong en Quaoar verschillen van die van de kleinere KBO’s. Er zijn gesprekken geweest op twee recente conferenties waaruit bleek dat de gegevens van de James Webb Space Telescope voor de kleinere KBO’s in drie groepen zijn geclusterd, waarvan geen enkele lijken op Sedna, Gonggong en Quaoar. Ze zijn het erover eens. Dit is een resultaat, ook al hebben onze drie grotere lichamen een verschillende geothermische geschiedenis.

Deze resultaten kunnen belangrijke implicaties hebben voor de studie van Kuipergordelobjecten, TNO’s en andere objecten in de buitenste delen van het zonnestelsel. Dit omvat nieuw inzicht in de vorming van objecten voorbij de vrieslijn in planetaire systemen, wat verwijst naar de lijn waarboven vluchtige verbindingen bevriezen. In ons zonnestelsel komt het trans-Neptuniaanse gebied overeen met de stikstoflijn, waar objecten grote hoeveelheden vluchtige materialen met zeer lage vriespunten vasthouden (zoals stikstof, methaan en ammoniak). Emery zei dat deze bevindingen ook het soort evolutionaire processen illustreren dat plaatsvindt in lichamen in deze regio:

“De belangrijkste impact zou kunnen zijn om het volume te vinden waarbij objecten uit de Kuipergordel warm genoeg werden voor interne opwerking van primordiaal ijs, en misschien zelfs voor differentiatie. We zouden deze spectra ook moeten kunnen gebruiken om de stralingsverwerking van oppervlakte-ijs in de atmosfeer beter te begrijpen.” toekomstige zonnestelsels.” Toekomstige studies zullen ook in meer detail kunnen kijken naar de vluchtige stabiliteit en de mogelijkheid van atmosferen in deze objecten boven enig deel van hun banen.

De resultaten van dit onderzoek demonstreren ook de mogelijkheden van de James Webb Ruimtetelescoop, die zijn waarde meerdere malen heeft bewezen sinds hij begin vorig jaar operationeel werd. Het herinnert ons er ook aan dat Webb niet alleen nieuwe inzichten en nieuwe ontdekkingen mogelijk maakt in verre planeten, sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het universum, maar ook dingen kan onthullen over ons eigen kleine hoekje van het universum.

“De gegevens van de James Webb Space Telescope zijn verbazingwekkend,” voegde Emery eraan toe. ‘Het stelde ons in staat spectra te verkrijgen op langere golflengten dan we van de aarde konden verkrijgen, waardoor we dit ijs konden detecteren. Vaak kunnen de ruwe gegevens bij waarnemingen in een nieuw golflengtebereik van zeer slechte kwaliteit zijn. De James Webb-telescoop was dat niet. geopend De ruimtesonde leverde niet alleen een nieuw bereik aan golflengten op, maar leverde ook fantastisch hoogwaardige en gevoelige gegevens op voor een reeks oppervlaktematerialen in de buitenste delen van het zonnestelsel.

Diepgaande lezing: arXiv