Dodano: 27 maja 2024r.

Tlenek i dwutlenek węgla odkryty na obrzeżach Układu Słonecznego

Astronomowie analizując skład chemiczny obiektów krążących za orbitą Neptuna odkryli, że część z nich zawiera tlenek węgla oraz dwutlenek węgla. Odkrycia te mogą pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu formowania się Układu Słonecznego i sposobu, w jaki podczas tego procesu migrowały różne ciała niebieskie.

Tlenek i dwutlenek węgla odkryty na obrzeżach Układu Słonecznego

 

Za orbitą Neptuna znajduje się Pas Kuipera - rozległa strefa, bardzo podobna do pasa planetoid znajdującego się między Marsem a Jowiszem, tyle że o wiele szersza. Zawiera niezliczone ilości małych obiektów, które są pozostałościami po procesie formowania się Układu Słonecznego.

Poza kosmicznym gruzem, krążą w nim planety karłowate – Pluton, Haumea oraz Makemake. W odróżnieniu od pasa planetoid, w którym krążą obiekty skalne i metalowe, w Pasie Kuipera znajdują się w większości obiekty złożone z zestalonych związków chemicznych, jak metan czy woda. Pas Kuipera zaczyna się mniej więcej za orbitą Neptuna, około 30 jednostek astronomicznych od Słońca (Astronomical Unit, AU, jeden AU to odległość równa odległości Ziemi od Słońca – około 150 milionów kilometrów).

Wykorzystując Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i jego możliwości do analizy promieniowania podczerwonego astronomowie z University of Central Florida wykryli tlenek oraz dwutlenek węgla w postaci lodu na 56 z 59 badanych obiektów transneptunowych (TNO - trans-Neptunian objects), czyli obiektów znajdujących się za orbitą Neptuna.

Opis oraz wyniki obserwacji ukazały się na łamach pisma „Nature Astronomy” (DOI: 10.1038/s41550-024-02276-x).

Dysk protoplanetarny

Astronomowie poinformowali o odkryciu dwutlenku węgla na 56 obiektach transneptunowych oraz tlenku węgla na 28 z nich z próbki 59 badanych obiektów za pomocą JWST. Z analiz wynika, że dwutlenek węgla może być szeroko rozpowszechniony na powierzchniach obiektów krążących za orbitą Neptuna, niezależnie od klasy i wielkości ciała. Tlenek węgla wykryto jedynie w obiektach o dużej zawartości dwutlenku węgla.

Badania sugerują, że CO2 w postaci lodu występował w dużych ilościach w zimnych, zewnętrznych obszarach dysku protoplanetarnego, ogromnego wirującego dysku gazów i pyłów, z którego ostatecznie uformował się Układ Słoneczny. Autorzy publikacji wskazują, że konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć pochodzenie lodu zawierającego te związki.

Odkrycie może nam pomóc w zrozumieniu formowania się Układu Słonecznego i sposobu, w jaki podczas tego procesu migrowały różne ciała niebieskie. - Obiekty transneptunowe są pozostałościami procesu formowania się planet – mówi Mário Nascimento De Prá, współautor badania. - Odkrycia te mogą nałożyć istotne ograniczenia co do tego, gdzie powstały te obiekty, w jaki sposób dotarły do regionu, w którym obecnie się znajdują oraz jak ich powierzchnie ewoluowały od czasu ich powstania. Ponieważ powstały w większych odległościach od Słońca i są mniejsze niż planety, zawierają nieskazitelne informacje o pierwotnym składzie dysku protoplanetarnego - dodaje.

Nowe pytania

To nie pierwsze odkrycie lodu zawierającego tlenek węgla w populacji TNO. Kilka lat temu sonda New Horizons przeleciała w pobliżu Plutona. Analizy z tego bliskiego przelotu potwierdziły istnienie na tej planecie karłowatej tlenku węgla. Z kolei jeśli chodzi o dwutlenek węgla, to jest on obecny w wielu obiektach krążących po Układzie Słonecznym, jednak nie było jasne, czy znajduje się też w większych ilościach w obiektach za orbitą Neptuna.

Odkrycie dwutlenku i tlenku węgla na TNO dostarcza pewnego kontekstu, jednocześnie rodzi wiele pytań: - Chociaż dwutlenek węgla prawdopodobnie pochodzi z dysku protoplanetarnego, pochodzenie tlenku węgla jest bardziej niepewne. Jest to związek lotny nawet na zimnych powierzchniach TNO. Nie możemy wykluczyć, że tlenek węgla gromadził się na tych obiektach i w jakiś sposób zachował się do chwili obecnej. Dane sugerują jednak, że mógł on powstawać w wyniku napromieniania z lodów zawierających węgiel – wskazuje De Prá.

Potwierdzenie obecności dwutlenku węgla i tlenku węgla na TNO otwiera wiele możliwości dalszych badań. - Odkrycie dwutlenku węgla na obiektach transneptunowych było ekscytujące, ale jeszcze bardziej fascynujące były jego cechy – mówi Noemí Pinilla-Alonso, współautorka badań. - Widmowy ślad dwutlenku węgla ujawnił dwa różne składy powierzchni. W niektórych TNO dwutlenek węgla miesza się z innymi materiałami, takimi jak metanol, lód wodny i krzemiany. Jednak w innej grupie, gdzie głównymi składnikami są dwutlenek węgla i tlenek węgla, sygnatura widmowa była wyjątkowa. Ten wyraźny ślad dwutlenku węgla nie przypomina niczego, co zaobserwowano na innych ciałach Układu Słonecznego – dodaje.

Gdy dwutlenek węgla występuje w dużych ilościach, wydaje się on odizolowany od innych materiałów, ale samo to nie wyjaśnia jego wyjątkowego widma. Uczeni wskazują, że może być to związane z właściwościami optycznymi oraz ze sposobem, w jaki odbija lub pochłania określone barwy światła.

Obiekty transneptunowe

Wcześniej spekulowano, że dwutlenek węgla może być obecny w TNO, ponieważ występuje w stanie gazowym w kometach. - W kometach obserwujemy dwutlenek węgla w postaci gazu uwalnianego w wyniku sublimacji lodów na powierzchni lub tuż pod jej powierzchnią. Ponieważ jednak dwutlenek węgla nigdy nie był obserwowany na powierzchni TNO, powszechne było przekonanie, że został on uwięziony pod powierzchnią. Nasze najnowsze odkrycia podważają tę tezę. Teraz wiemy, że dwutlenek węgla występuje nie tylko na powierzchni TNO, ale jest również bardziej powszechny niż lód wodny, który wcześniej uważaliśmy za najobficiej występujący materiał powierzchniowy. To odkrycie radykalnie zmienia nasze rozumienie składu TNO i sugeruje, że procesy wpływające na ich powierzchnie są bardziej złożone, niż nam się wydawało – podkreśla Pinilla-Alonso.

- Chociaż odkryliśmy, że CO2 jest wszechobecny w populacji TNO, z pewnością nie jest on równomiernie rozłożony – mówi Elsa Hénault z Uniwersytetu Paris-Saclay. - Niektóre obiekty są ubogie w dwutlenek węgla, podczas gdy inne są w niego bardzo bogate i posiadają też tlenek węgla. Niektóre obiekty wykazują czysty dwutlenek węgla, podczas gdy inne zawierają go z innymi związkami. Powiązanie właściwości dwutlenku węgla z parametrami orbitalnymi i fizycznymi pozwoliło nam dojść do wniosku, że zmiany poziomu dwutlenku węgla są prawdopodobnie reprezentatywne dla różnych obszarów formowania się obiektów i ich wczesnej ewolucji – zaznacza.

Badaczka wskazuje też, że w dysku protoplanetarnym, z którego uformował się Układ Słoneczny, być może znajdował się dwutlenek węgla, jednak jest mało prawdopodobne, aby tlenek węgla był pierwotny. - Tlenek węgla może powstawać w wyniku ciągłego bombardowania jonami pochodzącymi ze Słońca lub z innych źródeł. Obecnie badamy tę hipotezę, porównując obserwacje z eksperymentami, które mogą odtworzyć warunki zamarzania i jonizacji powierzchni TNO - wyjaśnia.

- Teraz pojawiają się inne pytania. Co szczególnie istotne, biorąc pod uwagę pochodzenie i ewolucję tlenku węgla. Obserwacje w całym zakresie widmowym są tak bogate, że analizy z pewnością zajmą naukowców wiele lat – mówi Hénault.


Źródło: University of Central Florida, fot. NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)