Webb bietet den bisher besten Einblick in eisige Planetesimale des frühen Sonnensystems

Neue Studien unter der Leitung von Forschern der University of Central Florida bieten erstmals ein klareres Bild davon, wie sich das äußere Sonnensystem gebildet und entwickelt hat, basierend auf Analysen von transneptunischen Objekten (TNOs) und Zentauren.

Die Erkenntnisse, veröffentlicht heute in Naturastronomie, enthüllen die Eisverteilung im frühen Sonnensystem und wie sich TNOs entwickeln, wenn sie in die Region der Riesenplaneten zwischen Jupiter und Saturn vordringen und zu Zentauren werden.

TNOs sind kleine Körper oder „Planetesimale“, die die Sonne jenseits von Pluto umkreisen. Sie haben sich nie zu Planeten zusammengeschlossen und dienen als makellose Zeitkapseln, die wichtige Beweise für die molekularen Prozesse und Planetenwanderungen bewahren, die das Sonnensystem vor Milliarden von Jahren geformt haben. Diese Objekte im Sonnensystem ähneln eisigen Asteroiden und haben Umlaufbahnen, die mit der Umlaufbahn von Neptun vergleichbar oder größer sind.

Vor der neuen UCF-geführten Studie war bekannt, dass TNOs aufgrund ihrer Orbitaleigenschaften und Oberflächenfarben eine vielfältige Population darstellen, die molekulare Zusammensetzung dieser Objekte war jedoch noch kaum verstanden. Dieser Mangel an Detailwissen erschwerte jahrzehntelang die Interpretation ihrer Farb- und Dynamikvielfalt. Nun klären die neuen Ergebnisse die seit langem bestehende Frage der Interpretation der Farbvielfalt auf, indem sie Informationen zur Zusammensetzung liefern.

„Mit dieser neuen Forschung wird ein vollständigeres Bild der Vielfalt präsentiert und die Puzzleteile beginnen sich zusammenzufügen“, sagt Noemí Pinilla-Alonso, die Hauptautorin der Studie.

„Zum allerersten Mal haben wir die spezifischen Moleküle identifiziert, die für die bemerkenswerte Vielfalt an Spektren, Farben und Albedo verantwortlich sind, die in transneptunischen Objekten beobachtet werden“, sagt Pinilla-Alonso. „Diese Moleküle – wie Wassereis, Kohlendioxid, Methanol und komplexe organische Stoffe – geben uns einen direkten Zusammenhang zwischen den spektralen Eigenschaften von TNOs und ihrer chemischen Zusammensetzung.“

Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) fanden die Forscher heraus, dass TNOs in drei verschiedene Zusammensetzungsgruppen eingeteilt werden können, die durch Eisretentionslinien geformt werden, die in der Zeit existierten, als das Sonnensystem vor Milliarden von Jahren entstand.

Diese Linien werden als Regionen identifiziert, in denen die Temperaturen kalt genug waren, damit sich bestimmte Eissorten innerhalb der protoplanetaren Scheibe bilden und überleben konnten. Diese durch ihre Entfernung von der Sonne definierten Regionen markieren Schlüsselpunkte im Temperaturgradienten des frühen Sonnensystems und bieten eine direkte Verbindung zwischen den Entstehungsbedingungen von Planetesimalen und ihrer heutigen Zusammensetzung.

Rosario Brunetto, Zweitautorin des Artikels und Forscherin am Centre National de la Recherche Scientifique am Institute d’Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), sagt, die Ergebnisse seien der erste klare Zusammenhang zwischen der Bildung von Planetesimalen in der protoplanetaren Scheibe und ihrer späteren Entstehung Evolution. Die Arbeit wirft Licht darauf, wie die heute beobachteten spektralen und dynamischen Verteilungen in einem Planetensystem entstanden sind, das von einer komplexen dynamischen Entwicklung geprägt ist, sagt er.

„Die Zusammensetzungsgruppen der TNOs sind nicht gleichmäßig auf Objekte mit ähnlichen Umlaufbahnen verteilt“, sagt Brunetto. „Zum Beispiel gehören kalte Klassiker, die sich in den äußersten Regionen der protoplanetaren Scheibe bildeten, ausschließlich zu einer Klasse, die von Methanol und komplexen organischen Stoffen dominiert wird. Im Gegensatz dazu gehören TNOs auf Umlaufbahnen, die mit der Oortschen Wolke verbunden sind, die näher an den Riesenplaneten entstand, gehören alle zur Spektralgruppe, die durch Wassereis und Silikate gekennzeichnet ist.“

Brittany Harvison, eine Doktorandin der UCF-Physik, die während ihres Studiums bei Pinilla-Alonso an dem Projekt arbeitete, sagt, dass die drei durch ihre Oberflächenzusammensetzungen definierten Gruppen Eigenschaften aufweisen, die auf die Zusammensetzungsstruktur der protoplanetaren Scheibe hinweisen.

„Dies unterstützt unser Verständnis des verfügbaren Materials, das zur Entstehung von Körpern im äußeren Sonnensystem wie den Gasriesen und ihren Monden oder Pluto und den anderen Bewohnern der transneptunischen Region beigetragen hat“, sagt sie.

In einem ergänzende Studie über Zentauren veröffentlicht in derselben Ausgabe von Naturastronomiefanden die Forscher einzigartige spektrale Signaturen, die sich von TNOs unterscheiden und das Vorhandensein von staubigen Regolithmänteln auf ihren Oberflächen verraten.

Diese Entdeckung über Zentauren, bei denen es sich um TNOs handelt, die ihre Umlaufbahnen nach einer engen Gravitationsbegegnung mit Neptun in die Region der Riesenplaneten verlagert haben, trägt dazu bei, zu beleuchten, wie TNOs zu Zentauren werden, wenn sie sich bei Annäherung an die Sonne erwärmen und sich manchmal kometenähnlich entwickeln Schwänze.

Ihre Arbeit ergab, dass alle beobachteten Zentaurenoberflächen im Vergleich zu den Oberflächen von TNOs besondere Eigenschaften aufwiesen, was darauf hindeutet, dass es zu Veränderungen als Folge ihrer Reise in das innere Sonnensystem kam.

Von den drei Klassen von TNO-Oberflächentypen wurden zwei – Bowl und Cliff – in der Zentaurenpopulation beobachtet, die beide arm an flüchtigem Eis sind, sagt Pinilla-Alonso.

Bei Zentauren weisen diese Oberflächen jedoch ein besonderes Merkmal auf: Sie sind von einer Schicht aus staubigem Regolith bedeckt, der mit dem Eis vermischt ist, sagt sie.

„Interessanterweise identifizieren wir eine neue Oberflächenklasse, die es bei TNOs nicht gibt und die eisarmen Oberflächen im inneren Sonnensystem, Kometenkernen und aktiven Asteroiden ähnelt“, sagt sie.

Javier Licandro, leitender Forscher am Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC, Teneriffa, Spanien) und Hauptautor der Arbeit des Zentauren, sagt, dass die bei Zentauren beobachtete spektrale Vielfalt größer ist als erwartet, was darauf hindeutet, dass bestehende Modelle ihrer thermischen und chemischen Entwicklung möglicherweise benötigt werden Verfeinerung.

Beispielsweise seien die Vielfalt der organischen Signaturen und das Ausmaß der beobachteten Strahlungseffekte nicht vollständig vorhergesehen worden, sagt Licandro.

„Die in den Zentaurenpopulationen festgestellte Vielfalt in Bezug auf Wasser, Staub und komplexe organische Stoffe lässt auf unterschiedliche Ursprünge in der TNO-Population und unterschiedliche Entwicklungsstadien schließen, was unterstreicht, dass Zentauren keine homogene Gruppe, sondern vielmehr dynamische und Übergangsobjekte sind“, sagt Licandro.

„Die Auswirkungen der thermischen Entwicklung, die in der Oberflächenzusammensetzung von Zentauren beobachtet werden, sind der Schlüssel zur Feststellung der Beziehung zwischen TNOs und anderen Populationen kleiner Körper, wie den unregelmäßigen Satelliten der Riesenplaneten und ihren trojanischen Asteroiden.“

Der Co-Autor der Studie, Charles Schambeau, ein Planetenwissenschaftler am Florida Space Institute (FSI) der UCF, der sich auf Folgendes spezialisiert hat Studium von Zentauren und Kometenbetonte die Bedeutung der Beobachtungen und dass einige Zentauren in dieselben Kategorien eingeteilt werden können wie die von DiSCo beobachteten TNOs.

„Das ist ziemlich tiefgreifend, denn wenn sich ein TNO in einen Zentauren verwandelt, erlebt er eine wärmere Umgebung, in der sich Oberflächeneis und Materialien verändern“, sagt Schambeau. „Anscheinend sind die Oberflächenveränderungen in einigen Fällen jedoch minimal, sodass einzelne Zentauren mit ihrer übergeordneten TNO-Population in Verbindung gebracht werden können. Die Spektraltypen von TNO und Zentauren sind unterschiedlich, aber ähnlich genug, um verknüpft zu werden.“

Wie die Forschung durchgeführt wurde

Die Studien sind Teil des von Pinilla-Alonso geleiteten Projekts „Discovering the Surface Composition of the trans-Neptunian Objects“ (DiSCo) mit dem Ziel, die molekulare Zusammensetzung von TNOs aufzudecken. Pinilla-Alonso ist heute eine angesehene Professorin am Institut für Weltraumwissenschaft und -technologie in Asturien an der Universidad de Oviedo und führte die Arbeit als Planetenwissenschaftlerin beim FSI durch.

Für die Studien nutzten die Forscher das vor fast drei Jahren gestartete JWST, das durch Beobachtungen im nahen Infrarot beispiellose Einblicke in die molekulare Vielfalt der Oberflächen der TNOs und Zentauren lieferte und so die Einschränkungen terrestrischer Beobachtungen und anderer verfügbarer Instrumente überwand.

Für die TNO-Studie haben die Forscher die Spektren von 54 TNOs mit dem JWST gemessen und dabei detaillierte Lichtmuster dieser Objekte erfasst. Durch die Analyse dieser hochempfindlichen Spektren konnten die Forscher bestimmte Moleküle auf ihrer Oberfläche identifizieren. Mithilfe von Clustering-Techniken wurden die TNOs basierend auf ihrer Oberflächenzusammensetzung in drei verschiedene Gruppen eingeteilt. Aufgrund der Formen ihrer Lichtabsorptionsmuster erhielten die Gruppen die Spitznamen „Bowl“, „Double-Dip“ und „Cliff“.

Sie fanden Folgendes heraus:

TNOs vom Schalentyp machten 25 % der Probe aus und zeichneten sich durch starke Wassereisabsorption und eine staubige Oberfläche aus. Sie zeigten deutliche Anzeichen von kristallinem Wassereis und hatten ein geringes Reflexionsvermögen, was auf das Vorhandensein dunkler, feuerfester Materialien hinweist.

Double-Dip-TNOs machten 43 % der Probe aus und zeigten starke Kohlendioxid (CO2)-Banden und einige Anzeichen komplexer organischer Stoffe.

TNOs vom Cliff-Typ machten 32 % der Probe aus und wiesen starke Anzeichen komplexer organischer Stoffe, Methanol und stickstoffhaltiger Moleküle auf und hatten die rötlichste Farbe.

Für die Zentaurenstudie beobachteten und analysierten die Forscher die Reflexionsspektren von fünf Zentauren (52872 Okyrhoe, 3253226 Thereus, 136204, 250112 und 310071). Dies ermöglichte es ihnen, die Oberflächenzusammensetzung der Zentauren zu identifizieren, was eine erhebliche Diversität innerhalb der beobachteten Probe aufdeckte.

Sie fanden heraus, dass Thereus und 2003 WL7 zum Bowl-Typ gehören, während 2002 KY14 zum Cliff-Typ gehört. Die verbleibenden zwei Zentauren, Okyrhoe und 2010 KR59, passten in keine bestehende Spektralklasse und wurden aufgrund ihrer einzigartigen Spektren als „Flachtyp“ kategorisiert. Diese neu definierte Gruppe zeichnet sich durch eine hohe Konzentration an primitivem, kometenähnlichem Staub und wenig bis gar keinem flüchtigen Eis aus.

Bisherige Forschung und nächste Schritte

Pinilla-Alonso sagt, dass frühere DiSCo-Forschungen das Vorhandensein von Kohlenstoffoxiden weit verbreitet auf den Oberflächen von TNOs gezeigt haben, was eine bedeutende Entdeckung war.

„Jetzt bauen wir auf dieser Erkenntnis auf, indem wir ein umfassenderes Verständnis der TNO-Oberflächen bieten“, sagt sie. „Eine der großen Erkenntnisse ist, dass Wassereis, von dem früher angenommen wurde, dass es das am häufigsten vorkommende Oberflächeneis ist, nicht so weit verbreitet ist, wie wir einst angenommen haben. Stattdessen sind Kohlendioxid (CO₂) – ein Gas bei Erdtemperatur – und andere Kohlenstoffoxide, wie z B. das superflüchtige Kohlenmonoxid (CO), kommen in einer größeren Anzahl von Körpern vor.“

Die Ergebnisse der neuen Studie seien nur der Anfang, sagt Harvison.

„Da wir nun allgemeine Informationen über die identifizierten Kompositionsgruppen haben, gibt es noch viel mehr zu erforschen und zu entdecken“, sagt sie. „Als Gemeinschaft können wir damit beginnen, die Besonderheiten dessen zu erforschen, was die Gruppen, wie wir sie heute sehen, hervorgebracht hat.“