Webb beobachtet drei Zwergplaneten im Kuipergürtel

In der Vorstellung dieses Künstlers befindet sich das neu entdeckte planetenähnliche Objekt namens Sedna am äußeren Rand des bekannten Sonnensystems. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech

verwenden James Webb-WeltraumteleskopAstronomen beobachteten drei Zwergplaneten Kuiper GürtelUnd die Entdeckung leichter Kohlenwasserstoffe und komplexer Moleküle. Diese Ergebnisse erweitern unser Verständnis von Objekten im äußeren Sonnensystem und unterstreichen die Fähigkeiten des James Webb-Weltraumteleskops für die Weltraumforschung.

Die Kuiper GürtelDie riesige Region am Rande unseres Sonnensystems, bevölkert von unzähligen Eiskörpern, ist eine Fundgrube wissenschaftlicher Entdeckungen. Erkennung und Charakterisierung Objekte aus dem Kuipergürtel (KBOs), manchmal auch als bezeichnet Transneptunische Objekte (TNO-Körper) führte zu einem neuen Verständnis der Geschichte des Sonnensystems. Das Abwerfen von Objekten aus dem Kuipergürtel ist ein Indikator für die Gravitationsströme, die das Sonnensystem geformt haben, und offenbart eine dynamische Geschichte der Planetenwanderungen. Seit dem späten 20. Jahrhundert waren Wissenschaftler bestrebt, die Objekte des Kuipergürtels genauer unter die Lupe zu nehmen, um mehr über ihre Umlaufbahnen und Zusammensetzung zu erfahren.

Beobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops

Die Untersuchung von Objekten im äußeren Sonnensystem ist eines der vielen Ziele des James Webb Space Telescope (JWST). Verwendung der von Webb erhaltenen Daten Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec), ein internationales Astronomenteam, hat drei Zwergplaneten im Kuipergürtel beobachtet: Sedna, Jungjung und Kwar. Diese Beobachtungen enthüllten viele interessante Dinge über ihre Umlaufbahnen und ihre Zusammensetzung, darunter leichte Kohlenwasserstoffe und komplexe organische Moleküle, von denen man annimmt, dass sie Produkte der Methanbestrahlung sind.

Die Forschung wurde von Joshua Emery geleitet, einem Professor für Astronomie und Planetenwissenschaften an der Northern Arizona University. Zu ihm gesellten sich Forscher aus NASAGoddard Space Flight Center (GSFC). Institut für räumliche Astrophysik (Universität Paris-Saclay). Pinhead-InstitutDie Florida Space Institute (Universität von Zentralflorida). Lowell-ObservatoriumDie Südwest-Forschungsinstitut (Swei) und Wissenschaftliches Institut für Weltraumteleskope (STScI), American University. und Cornell University. Ein Vorabdruck ihres Artikels ist online erschienen und wird zur Veröffentlichung geprüft von Ikarus.

Seit ihrem letzten Vorbeiflug am Arrokoth-Objekt im Kuipergürtel erforscht die Mission New Horizons Objekte im Kuipergürtel und führt heliosphärische und astrophysikalische Beobachtungen durch. Bildnachweis: NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

Geschichte der Erforschung des Kuipergürtels

Trotz aller Fortschritte in der Astronomie und in der Roboterforschung ist unser Wissen über Trans-Neptun und den Kuipergürtel immer noch begrenzt. Bisher die einzige Aufgabe des Studiums Uranus, NeptunIhre Hauptsatelliten waren Voyager 2 Die Mission flog 1986 bzw. 1989 an diesen beiden Eisriesen vorbei. Darüber hinaus ist die neue Horizonte Die Mission war das erste Raumschiff, das untersucht wurde Pluto und seinen Satelliten (im Juli 2015) und der einzige, der einem Kuipergürtel-Objekt begegnet ist, was am 1. Januar 2019 geschah, als es in der Nähe des Kuipergürtels namens Arrokoth flog.

Astronomenvorhersagen von JWST

Dies ist einer der vielen Gründe, warum Astronomen mit Spannung auf den Start des James-Webb-Weltraumteleskops warten. Neben der Untersuchung von Exoplaneten und den ältesten Galaxien im Universum wurden leistungsstarke Infrarot-Bildgebungskapazitäten auch auf unseren Hinterhof ausgerichtet und enthüllten neue Bilder von … Mars, der Jupiterund sie Der größte Satellit. Für ihre Studie stützten sich Emery und seine Kollegen auf Nahinfrarotdaten, die Webb für drei Planeten im Kuipergürtel – Sedna, Gungong und Kuar – erhalten hatte. Diese Objekte haben einen Durchmesser von etwa 1.000 km (620 Meilen) und liegen damit innerhalb der Reichweite Klassifizierung der Zwergplaneten durch die Internationale Astronomische Union.

Erkenntnisse über Zwergplaneten

Wie Emery Universe Today per E-Mail mitteilte, sind diese Objekte aufgrund ihrer Größe, Umlaufbahn und Zusammensetzung für Astronomen besonders interessant. Andere transneptunische Objekte – wie Pluto, Eris, Haumea und Makemake – haben auf ihren Oberflächen flüchtiges Eis (Stickstoff, Methan usw.) zurückgehalten. Die einzige Ausnahme ist Haumea, das seine flüchtigen Bestandteile in (anscheinend) erheblicher Wirkung verlor. Wie Emery sagte, wollten sie wissen, ob auch Sedna, Goonggong und Quaoar ähnliche flüchtige Stoffe auf ihren Oberflächen hatten:

„Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass sie dazu in der Lage sein könnten. Obwohl sie alle ungefähr die gleiche Größe haben, sind ihre Umlaufbahnen unterschiedlich. Sedna ist ein Objekt aus der inneren Oortschen Wolke mit einem Perihel von 76 AE und einem Apogäum von etwa 1.000 AE. Gunggung befindet sich in einer Elliptische Umlaufbahn Auch extrem: Mit einem Perihel von 33 AE und einem Apogäum von ~100 AE befindet sich Kwar auf einer relativ kreisförmigen Umlaufbahn nahe 43 AE. Diese Umlaufbahnen bringen Objekte in unterschiedliche Temperaturregime und unterschiedliche Strahlungsumgebungen (Sedna zum Beispiel: „Es verbringt Die meiste Zeit befindet er sich außerhalb der Heliosphäre der Sonne. Wir wollten untersuchen, wie sich diese unterschiedlichen Umlaufbahnen auf die Oberflächen auswirken. Es gibt auch andere interessante Eissorten und komplexe organische Materialien auf den Oberflächen.“

Bilder von einer der beiden PRISM-Beobachtungen von Sedna, Goonggong und Quoar. Bildnachweis: Emery, J.P. et al. (2023)

Mithilfe der Daten des Webb NIRSpec-Instruments beobachtete das Team alle drei Objekte im Prismenmodus mit niedriger Auflösung bei Wellenlängen von 0,7 bis 5,2 Mikrometern (µm) und platzierte sie alle im nahen Infrarotspektrum. Zusätzliche Quaoar-Beobachtungen wurden von 0,97 bis 3,16 μm unter Verwendung von Gittern mittlerer Auflösung mit zehnfacher spektraler Auflösung durchgeführt. Die resultierenden Spektren enthüllten einige interessante Dinge über diese TNO-Objekte und ihre Oberflächenzusammensetzungen, sagte Emery:

„Wir haben eine große Menge Ethan (C2H6) auf den drei Körpern gefunden, vor allem auf Sedna. Sedna weist auch Acetylen (C2H2) und Ethylen (C2H4) auf. Die Menge hängt mit der Umlaufbahn zusammen (am meisten auf Sedna, weniger auf Gunggung und …). (zumindest auf Kuwar), was mit relativen Temperaturen und Strahlungsumgebungen übereinstimmt. Diese Moleküle sind Produkte der direkten Bestrahlung von Methan (CH4). Wenn Ethan (oder anderes) längere Zeit auf Oberflächen vorhanden gewesen wäre, hätte es sich in umgewandelt Durch Bestrahlung entstehen komplexere Moleküle. Da wir sie immer noch sehen, bezweifeln wir, dass Dächer regelmäßig mit Methan (CH4) betankt werden müssen.

Diese Ergebnisse stimmen mit denen überein, die in zwei aktuellen Studien unter der Leitung von Dr. Will Grundy, einem Astronomen am Lowell Observatory und einem assoziierten Forscher der NASA, präsentiert wurden. neue Horizonte Mission, und Chris Glenn, ein Planetenwissenschaftler und Geochemiker am SwRI. In beiden Studien haben Grundy, Glenn und ihre Kollegen die Deuterium/Wasserstoff (D/H)-Verhältnisse im Methan auf Iris und Makemake gemessen und kamen zu dem Schluss, dass das Methan nicht primitiv war. Stattdessen, so argumentieren sie, resultieren die Verhältnisse aus der Verarbeitung von Methan im Inneren und der Abgabe an die Oberfläche.

„Wir vermuten, dass das Gleiche auch für Sedna, Gonggong und Quaoar gilt“, sagte Emery. „Wir sehen auch, dass sich die Spektren von Sedna, Goonggong und Quaoar von denen der kleineren KBOs unterscheiden. Auf zwei kürzlich stattgefundenen Konferenzen gab es Gespräche, die zeigten, dass die Daten des James Webb-Weltraumteleskops für die kleineren KBOs sich in drei Gruppen gruppieren, von denen keine ähneln Sedna, Gonggong und Quaoar. Sie sind sich einig. Dies ist ein Ergebnis, obwohl unsere drei größeren Körper eine unterschiedliche geothermische Geschichte haben.

Vergleich der acht größten TNOs mit der Erde (alle maßstabsgetreu). Bildnachweis: NASA/Lexicon

Implikationen der Ergebnisse

Diese Ergebnisse könnten wichtige Auswirkungen auf die Untersuchung von Kuipergürtelobjekten, TNOs und anderen Objekten im äußeren Sonnensystem haben. Dazu gehören neue Erkenntnisse über die Bildung von Objekten jenseits der Frostgrenze in Planetensystemen, die sich auf die Grenze bezieht, jenseits derer flüchtige Verbindungen gefrieren. In unserem Sonnensystem entspricht die transneptunische Region der Stickstofflinie, wo Objekte große Mengen flüchtiger Materialien mit sehr niedrigen Gefrierpunkten (wie Stickstoff, Methan und Ammoniak) zurückhalten. Emery sagte, diese Ergebnisse veranschaulichen auch die Art der Evolutionsprozesse, die in Körpern dieser Region ablaufen:

„Die primäre Auswirkung könnte darin bestehen, das Volumen zu ermitteln, bei dem Kuipergürtel-Objekte warm genug für die interne Wiederaufbereitung von Ureis und vielleicht sogar für die Differenzierung wurden. Wir sollten diese Spektren auch verwenden können, um die Strahlungsverarbeitung von Oberflächeneis in der Region besser zu verstehen.“ Äußeres Sonnensystem.“ Zukünftige Studien werden auch in der Lage sein, die volatile Stabilität und die Möglichkeit von Atmosphären in diesen Objekten über irgendeinem Teil ihrer Umlaufbahn detaillierter zu untersuchen.

Die Ergebnisse dieser Studie belegen auch die Leistungsfähigkeit des James Webb-Weltraumteleskops, das sich seit seiner Inbetriebnahme Anfang letzten Jahres mehrfach bewährt hat. Es erinnert uns auch daran, dass Webb nicht nur neue Einblicke und neue Entdeckungen über entfernte Planeten, Galaxien und die großräumige Struktur des Universums ermöglicht, sondern auch Dinge über unsere eigene kleine Ecke des Universums enthüllen kann.

„Die Daten des James Webb-Weltraumteleskops sind erstaunlich“, fügte Emery hinzu. „Es ermöglichte uns, Spektren bei längeren Wellenlängen zu erhalten, als wir es von der Erde aus konnten, wodurch wir dieses Eis nachweisen konnten. Bei Beobachtungen in einem neuen Wellenlängenbereich können die Rohdaten oft von sehr schlechter Qualität sein. Das war beim James Webb-Teleskop nicht der Fall.“ eröffnet Die Raumsonde stellte nicht nur einen neuen Wellenlängenbereich bereit, sondern lieferte auch fantastisch hochwertige und empfindliche Daten für eine Reihe von Oberflächenmaterialien im äußeren Sonnensystem.

Angepasst an einen Artikel, der ursprünglich auf veröffentlicht wurde Das Universum heute.

Referenz: „Eine Geschichte von drei Zwergplaneten: Eis und organische Stoffe in Sedna, Gunggong und Kuwar aus der JWST-Spektroskopie“ von J.P. Emery, I. Wong, R. Brunetto, J.C. Cook, N. Pinilla-Alonso, J. A. Stansbury, B. J. Holler, W. M. Grundy, S. Protopapa, A. C. Souza-Feliciano, E. Fernández-Valenzuela, J. I. Lunine und D. C. Hines, 26. September 2023, Astrophysik > Erd- und Planetenphysik Astrophysik.
arXiv:2309.15230