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 de James Webb Space Telescope (JWST). Met behulp van gegevens verkregen door de Webb Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) heeft een internationaal team van astronomen drie dwergplaneten in de Kuipergordel waargenomen: Sedna, Gongong en Kuar. 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.

Het onderzoek werd geleid door 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), het Institute of Spatial Astrophysics (University Paris-Saclay), het Pinhead Institute, het Florida Space Institute (University of Central Florida), Lowell Observatory en het Southwest Research Institute. . SwRI, Space Telescope Science Institute (STScI), Amerikaanse universiteit. en Cornell Universiteit. Er is een voordruk van hun artikel gepubliceerd arXiv Server en is 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 Voyager 2 de enige missie om Uranus, Neptunus en hun belangrijkste satellieten te bestuderen, die respectievelijk in 1986 en 1989 langs deze ijsreuzen vloog. Bovendien was de New Horizons-missie het eerste ruimtevaartuig dat Pluto en zijn manen bestudeerde (in juli 2015), en het enige dat een Kuipergordel-object tegenkwam, wat gebeurde op 1 januari 2019, toen het langs de Kuipergordel vloog, bekend als KBO. 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 eerste sterrenstelsels van 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 Kuipergordel-planeten: Sedna, Jungong en Kuwar. Deze objecten hebben een diameter van ongeveer 1.000 kilometer (620 mijl), waarmee ze binnen de classificatie van dwergplaneten van de Internationale Astronomische Unie vallen.

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 factoren met een (blijkbaar) aanzienlijk effect verloor. Zoals Emery zei, ze wilden weten of Sedna, Goonggong en Quaoar ook soortgelijke vluchtige stoffen op hun oppervlak hadden:

“Eerder onderzoek heeft aangetoond dat ze daartoe in staat zouden kunnen zijn. Hoewel hun afmetingen ongeveer vergelijkbaar zijn, zijn hun banen verschillend. Sedna is een object in de binnenste Oortwolk met een perihelium van 76 AU en een apogeum van ongeveer 1.000 AU, en Gonggong bevindt zich in een zeer elliptische baan. Met een perihelium op 33 AU en een aphelium ~100 AU bevindt Cowar zich ook in een relatief cirkelvormige baan nabij 43 AU, en deze banen plaatsen objecten in verschillende temperatuurregimes en verschillende bestralingsomgevingen (Sedna brengt bijvoorbeeld het grootste deel van de tijd door). het is tijd “Buiten de heliosfeer van de zon). We wilden onderzoeken hoe deze verschillende orbitalen oppervlakken beïnvloeden. “Er zijn ook andere interessante ijspegels 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 vonden een overvloed aan ethaan (C₂H₆) op de drie lichamen, met name op onze meester. Sedna toont ook acetyleen (C₂H₂) en ethyleen (C₂H₄). Overvloeden houden verband met de baan (de meeste in Sedna, minder in Gunggung en het minst in Kuwar), wat consistent is met de relatieve temperatuur- en stralingsomgevingen. Deze moleculen zijn producten van directe bestraling van methaan (CH₄). Als ethaan (of iets anders) lange tijd op oppervlakken aanwezig was geweest, zou het door bestraling zijn omgezet in complexere moleculen. Omdat we het nog steeds kunnen zien, vermoeden we dat het methaan (CH₄) moet op een vrij regelmatige basis opnieuw op oppervlakken worden aangebracht.”

Deze bevindingen komen overeen met die gepresenteerd in twee recente onderzoeken onder leiding van Dr. Will Grundy, astronoom bij Lowell Observatory en onderzoeksmedewerker bij NASA’s New Horizons-missie, en Chris Glenn, planetair 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 kan gelden voor Sedna, Gunjung en Kwawar,” zei Emery. ‘We zien ook dat de spectra van Sedna, Gonggong en Quoar verschillen van de spectra van kleinere KBO’s. Er zijn gesprekken geweest op twee recente conferenties waaruit bleek dat de gegevens van de James Webb Space Telescope voor kleinere KBO’s in drie groepen zijn geclusterd, waarvan geen enkele lijken op Sedna en Gonggong, Sedna en Goggong, en Sedna en Gonggong.” , Sedna , Gonggong en Sedna Dit resultaat komt overeen met het feit dat onze drie grotere lichamen een verschillende geothermische geschiedenis hebben.

Deze resultaten kunnen belangrijke implicaties hebben voor de studie van Kuipergordelobjecten, Transnano-objecten 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).

Deze bevindingen illustreren ook het soort evolutionaire processen dat plaatsvindt in lichamen in deze regio, zei Emery. “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 studies kunnen ook gedetailleerder 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. Ze herinneren 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 JWST-gegevens zijn fantastisch”, 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. Er is geen telescoop geopend De James Webb Space Onderzoek heeft niet alleen een nieuw bereik aan golflengten opgeleverd, maar heeft ook fantastisch hoogwaardige en gevoelige gegevens opgeleverd voor een reeks oppervlaktematerialen in de buitenste delen van het zonnestelsel.