Wissenschaftler entdecken CO₂- und CO-Eis am Rande des Sonnensystems

Zum ersten Mal wurden Kohlendioxid- und Kohlenmonoxid-Eisbildungen in den entferntesten Regionen unseres Sonnensystems auf transneptunischen Objekten (TNOs) beobachtet.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Planetenwissenschaftler Mário Nascimento De Prá und Noemí Pinilla-Alonso vom Florida Space Institute (FSI) der University of Central Florida machte die Entdeckung, indem es die Infrarot-Spektralfunktionen des James Webb-Weltraumteleskops (JWST) nutzte, um die chemische Zusammensetzung von 59 transneptunischen Objekten und Zentauren zu analysieren.

Die bahnbrechende Studie, die diese Woche veröffentlicht wurde in Naturastronomielässt darauf schließen, dass Kohlendioxideis in den kalten äußeren Regionen der protoplanetaren Scheibe, der riesigen rotierenden Scheibe aus Gas und Staub, aus der das Sonnensystem entstand, reichlich vorhanden war. Um die Ursprünge des Kohlenmonoxideis zu verstehen, sind weitere Untersuchungen erforderlich, da es auch auf den untersuchten TNOs weit verbreitet ist.

Die Forscher berichteten von der Entdeckung von Kohlendioxid in 56 TNOs und von Kohlenmonoxid in 28 (plus sechs mit zweifelhaften oder grenzwertigen Entdeckungen) aus einer Stichprobe von 59 Objekten, die mit dem JWST beobachtet wurden. Kohlendioxid war auf den Oberflächen der transneptunischen Population weit verbreitet, unabhängig von der dynamischen Klasse und Körpergröße, während Kohlenmonoxid nur in Objekten mit einem hohen Kohlendioxidgehalt nachgewiesen wurde, so die Studie.

Die Arbeit ist Teil des von der UCF geleiteten Programms Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs), einem der JWST-Programme, das sich auf die Analyse unseres Sonnensystems konzentriert.

„Es ist das erste Mal, dass wir diesen Bereich des Spektrums bei einer großen Ansammlung von TNOs beobachtet haben, also war in gewisser Weise alles, was wir gesehen haben, aufregend und einzigartig“, sagt de Prá, der die Studie mitverfasst hat. „Wir hatten nicht erwartet, dass Kohlendioxid in der TNO-Region so allgegenwärtig ist, und noch weniger, dass Kohlenmonoxid in so vielen TNOs vorhanden ist.“

Die Entdeckung dieser Eisarten könne uns dabei helfen, die Entstehung unseres Sonnensystems und die mögliche Migration von Himmelskörpern besser zu verstehen, sagt er.

„Transneptunische Objekte sind Relikte aus dem Prozess der Planetenentstehung“, sagt de Prá. „Diese Erkenntnisse können wichtige Rückschlüsse darauf zulassen, wo diese Objekte entstanden sind, wie sie die Region erreicht haben, in der sie heute leben, und wie sich ihre Oberflächen seit ihrer Entstehung entwickelt haben. Da sie in größerer Entfernung von der Sonne entstanden und kleiner als die Planeten sind, enthalten sie die ursprünglichen Informationen über die ursprüngliche Zusammensetzung der protoplanetaren Scheibe.“

Chronik des uralten Eises

Auf Pluto wurde von der Raumsonde New Horizons Kohlenmonoxideis beobachtet, doch erst mit dem JWST gab es ein Observatorium, das leistungsstark genug war, um Spuren von Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxideis auf der größten TNO-Population zu orten und zu erkennen.

Kohlendioxid kommt in vielen Objekten unseres Sonnensystems vor. Daher war das DiSCo-Team neugierig, ob es auch jenseits des Neptuns in größeren Mengen vorkommt.

Mögliche Gründe dafür, dass bisher kein Kohlendioxid-Eis auf TNOs nachgewiesen wurde, sind laut der Studie unter anderem eine geringere Häufigkeit, das Begrabenwerden des nichtflüchtigen Kohlendioxids unter Schichten aus anderen, weniger flüchtigen Eisarten und feuerfestem Material im Laufe der Zeit, die Umwandlung in andere Moleküle durch Bestrahlung sowie schlichte Beobachtungsbeschränkungen.

Die Entdeckung von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid auf den TNOs gebe zwar einen gewissen Kontext, werfe aber gleichzeitig viele Fragen auf, sagt de Prá.

„Während das Kohlendioxid wahrscheinlich aus der protoplanetaren Scheibe angesammelt wurde, ist der Ursprung des Kohlenmonoxids unsicherer“, sagt er. „Letzteres ist ein flüchtiges Eis, sogar auf den kalten Oberflächen der TNOs. Wir können nicht ausschließen, dass das Kohlenmonoxid ursprünglich angesammelt wurde und irgendwie bis heute erhalten geblieben ist. Die Daten legen jedoch nahe, dass es durch die Bestrahlung von kohlenstoffhaltigem Eis entstanden sein könnte.“

Eine Lawine von Antworten

Die Bestätigung des Vorhandenseins von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid auf TNOs eröffnet zahlreiche Möglichkeiten zur weiteren Untersuchung und Quantifizierung der Art und des Grundes ihrer Anwesenheit, sagt Pinilla-Alonso, der ebenfalls Mitautor der Studie ist und das DiSCo-TNOs-Programm leitet.

„Die Entdeckung von Kohlendioxid auf transneptunischen Objekten war aufregend, aber noch faszinierender waren seine Eigenschaften“, sagt sie. „Der spektrale Abdruck von Kohlendioxid zeigte zwei unterschiedliche Oberflächenzusammensetzungen in unserer Probe. In einigen TNOs ist Kohlendioxid mit anderen Materialien wie Methanol, Wassereis und Silikaten vermischt. In einer anderen Gruppe – wo Kohlendioxid und Kohlenmonoxid die Hauptoberflächenbestandteile sind – war die spektrale Signatur jedoch auffallend einzigartig. Dieser starke Kohlendioxidabdruck ist anders als alles, was auf anderen Körpern des Sonnensystems beobachtet oder sogar im Labor reproduziert wurde.“

Es scheint nun klar, dass Kohlendioxid, wenn es in großen Mengen vorhanden ist, von anderen Stoffen isoliert erscheint, aber das allein erklärt die Bandform nicht, sagt Pinilla-Alonso. Das Verständnis dieser Kohlendioxidbänder ist ein weiteres Rätsel, das wahrscheinlich mit ihren einzigartigen optischen Eigenschaften und der Art und Weise zusammenhängt, wie sie bestimmte Lichtfarben reflektieren oder absorbieren, sagt sie.

Es wurde allgemein angenommen, dass in TNOs möglicherweise Kohlendioxid vorhanden sein könnte, da Kohlendioxid in gasförmigem Zustand in Kometen vorkommt, die eine vergleichbare Zusammensetzung aufweisen, sagt Pinilla-Alonso.

„Bei Kometen beobachten wir Kohlendioxid als Gas, das durch die Sublimation von Eis auf oder knapp unter der Oberfläche freigesetzt wird“, sagt sie. „Da Kohlendioxid jedoch noch nie auf der Oberfläche von TNOs beobachtet wurde, glaubte man allgemein, es sei unter der Oberfläche eingeschlossen. Unsere neuesten Erkenntnisse stellen diese Vorstellung auf den Kopf. Wir wissen jetzt, dass Kohlendioxid nicht nur auf der Oberfläche von TNOs vorhanden ist, sondern auch häufiger vorkommt als Wassereis, von dem wir bisher dachten, es sei das am häufigsten vorkommende Oberflächenmaterial. Diese Erkenntnis verändert unser Verständnis der Zusammensetzung von TNOs dramatisch und legt nahe, dass die Prozesse, die ihre Oberflächen beeinflussen, komplexer sind, als wir dachten.“

Auftauen der Daten

Die Co-Autoren der Studie, Elsa Hénault, eine Doktorandin am Institut d’Astrophysique Spatiale der Université Paris-Saclay und dem französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung, und Rosario Brunetto, Hénaults Betreuer, brachten eine Labor- und chemische Perspektive in die Interpretation der JWST-Beobachtungen ein.

Hénault analysierte und verglich die Absorptionsbänder von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid bei allen Objekten. Zwar gebe es reichlich Hinweise auf das Eis, doch gebe es große Unterschiede in Häufigkeit und Verteilung, sagt Hénault.

„Obwohl wir festgestellt haben, dass CO2 in allen TNOs allgegenwärtig ist, ist es definitiv nicht gleichmäßig verteilt“, sagt sie. „Einige Objekte enthalten wenig Kohlendioxid, während andere sehr viel Kohlendioxid enthalten und Kohlenmonoxid aufweisen. Einige Objekte weisen reines Kohlendioxid auf, während es bei anderen mit anderen Verbindungen vermischt ist. Durch die Verknüpfung der Eigenschaften von Kohlendioxid mit orbitalen und physikalischen Parametern konnten wir zu dem Schluss kommen, dass Kohlendioxidschwankungen wahrscheinlich repräsentativ für die unterschiedlichen Entstehungsregionen und die frühe Entwicklung der Objekte sind.“

Durch Analysen sei es sehr wahrscheinlich, dass in der protoplanetaren Scheibe Kohlendioxid vorhanden war, Kohlenmonoxid hingegen wahrscheinlich nicht ursprünglich vorhanden war, sagt Hénault.

„Kohlenmonoxid könnte durch den konstanten Ionenbeschuss unserer Sonne oder anderer Quellen effizient gebildet werden“, sagt sie. „Wir untersuchen diese Hypothese derzeit, indem wir die Beobachtungen mit Ionenbestrahlungsexperimenten vergleichen, die die Gefrier- und Ionisierungsbedingungen von TNO-Oberflächen reproduzieren können.“

Die Forschung brachte einige eindeutige Antworten auf seit langem bestehende Fragen, die bis zur Entdeckung der TNOs vor fast 30 Jahren zurückreichen. Doch den Forschern bleibt noch ein weiter Weg, sagt Hénault.

„Nun stellen sich weitere Fragen“, sagt sie. „Vor allem in Bezug auf die Herkunft und Entwicklung des Kohlenmonoxids. Die Beobachtungen über den gesamten Spektralbereich sind so umfangreich, dass sie die Wissenschaftler sicherlich noch jahrelang beschäftigen werden.“

Obwohl die Beobachtungen des DiSCo-Programms kurz vor dem Abschluss stehen, ist die Analyse und Diskussion der Ergebnisse noch weit entfernt. Das aus der Studie gewonnene Grundlagenwissen wird sich als wichtige Ergänzung für die zukünftige Planetenwissenschaft und Astronomieforschung erweisen, sagt de Prá.

„Wir haben bisher nur an der Oberfläche gekratzt, woraus diese Objekte bestehen und wie sie entstanden sind“, sagt er. „Wir müssen jetzt die Beziehung zwischen diesen Eisarten und den anderen auf ihren Oberflächen vorhandenen Verbindungen verstehen und das Zusammenspiel zwischen ihrem Entstehungsszenario, ihrer dynamischen Entwicklung, ihrer flüchtigen Rückhaltung und ihren Bestrahlungsmechanismen im Laufe der Geschichte des Sonnensystems verstehen.“