Per la prima volta, ghiacci di anidride carbonica e monossido di carbonio sono stati osservati nelle zone più remote del nostro sistema solare su oggetti transnettuniani (TNO).
Un gruppo di ricerca, guidato dagli scienziati planetari Mário Nascimento De Prá e Noemí Pinilla-Alonso del Florida Space Institute (FSI) dell'Università della Florida Centrale, ha fatto i risultati utilizzando le capacità spettrali a infrarossi del James Webb Space Telescope (JWST) per analizzare la composizione chimica di 59 oggetti transnettuniani e centauri.
Lo studio pionieristico, pubblicato questa settimana su Nature Astronomy , suggerisce che il ghiaccio di anidride carbonica fosse abbondante nelle fredde regioni esterne del disco protoplanetario, il vasto disco rotante di gas e polvere da cui si è formato il sistema solare. Sono necessarie ulteriori indagini per comprendere le origini del ghiaccio di monossido di carbonio, poiché è prevalente anche sui TNO nello studio.
I ricercatori hanno segnalato il rilevamento di anidride carbonica in 56 TNO e di monossido di carbonio in 28 (più sei con rilevamenti dubbi o marginali), su un campione di 59 oggetti osservati con il JWST. Secondo lo studio, il biossido di carbonio era diffuso sulle superfici della popolazione transnettuniana, indipendentemente dalla classe dinamica e dalle dimensioni corporee, mentre il monossido di carbonio è stato rilevato solo in oggetti con un'elevata abbondanza di biossido di carbonio.
Il lavoro fa parte del programma Discovering the Surface Compositions of Trans-Nettunian Objects (DiSCo-TNOs) guidato dall'UCF, uno dei programmi JWST incentrato sull'analisi del nostro sistema solare.
"È la prima volta che osserviamo questa regione dello spettro per un vasto insieme di TNO, quindi in un certo senso tutto ciò che abbiamo visto è stato emozionante e unico", afferma de Prá, coautore dello studio. "Non ci aspettavamo di scoprire che il biossido di carbonio fosse così onnipresente nella regione dei TNO, e ancor meno che il monossido di carbonio fosse presente in così tanti TNO."
La scoperta dei ghiacci può aiutarci ulteriormente a comprendere la formazione del nostro sistema solare e il modo in cui gli oggetti celesti potrebbero essere migrati, afferma.
"Gli oggetti transnettuniani sono reliquie del processo di formazione planetaria", afferma de Prá. "Questi risultati possono imporre importanti vincoli su dove si sono formati questi oggetti, su come hanno raggiunto la regione in cui vivono oggi e su come si sono evolute le loro superfici dopo la loro formazione. Poiché si sono formati a distanze maggiori dal Sole e sono più piccoli dei pianeti, contengono le informazioni originarie sulla composizione originaria del disco protoplanetario."
Il ghiaccio di monossido di carbonio è stato osservato su Plutone dalla sonda New Horizons, ma solo quando JWST ebbe un osservatorio abbastanza potente da individuare e rilevare tracce di ghiaccio di monossido di carbonio o ghiaccio di anidride carbonica sulla più grande popolazione di TNO.
L’anidride carbonica si trova comunemente in molti oggetti del nostro sistema solare. Quindi, il team di DiSCo era curioso di vedere se esistesse in quantità maggiori oltre i confini di Nettuno.
Le possibili ragioni per la mancanza di precedenti rilevamenti di ghiaccio di anidride carbonica sui TNO includono una minore abbondanza, l'anidride carbonica non volatile che viene sepolta sotto strati di altri ghiacci meno volatili e materiale refrattario nel tempo, la conversione in altre molecole attraverso l'irradiazione e semplici limitazioni osservative , secondo lo studio.
La scoperta di anidride carbonica e monossido di carbonio sui TNO fornisce un contesto e solleva anche molte domande, afferma de Prá.
"Mentre l'anidride carbonica è stata probabilmente accumulata dal disco protoplanetario, l'origine del monossido di carbonio è più incerta", afferma. "Quest'ultimo è un ghiaccio volatile anche nelle superfici fredde dei TNO. Non possiamo escludere che il monossido di carbonio sia stato originariamente accumulato e in qualche modo sia stato trattenuto fino ai giorni nostri. Tuttavia, i dati suggeriscono che potrebbe essere prodotto dall'irradiazione dai ghiacci contenenti carbonio."
Confermare la presenza di anidride carbonica e monossido di carbonio sui TNO apre molte opportunità per studiare ulteriormente e quantificare come e perché sono presenti, afferma Pinilla-Alonso, che è anche coautore dello studio e guida il programma DiSCo-TNOs.
"La scoperta dell'anidride carbonica sugli oggetti transnettuniani è stata emozionante, ma ancora più affascinanti sono state le sue caratteristiche", afferma. "L'impronta spettrale dell'anidride carbonica ha rivelato due distinte composizioni superficiali all'interno del nostro campione. In alcuni TNO, l'anidride carbonica è mescolata con altri materiali come metanolo, ghiaccio d'acqua e silicati. Tuttavia, in un altro gruppo, dove l'anidride carbonica e il monossido di carbonio sono i principali componenti della superficie:la firma spettrale era sorprendentemente unica. Questa netta impronta di anidride carbonica è diversa da qualsiasi cosa osservata su altri corpi del sistema solare o addirittura replicata in ambienti di laboratorio."
Sembra ormai chiaro che quando l'anidride carbonica è abbondante, appare isolata da altri materiali, ma questo da solo non spiega la forma della banda, dice Pinilla-Alonso. Comprendere queste bande di anidride carbonica è un altro mistero, probabilmente legato alle loro proprietà ottiche uniche e al modo in cui riflettono o assorbono specifici colori della luce, afferma.
È stato comunemente teorizzato che forse l'anidride carbonica potrebbe essere presente nei TNO poiché esiste allo stato gassoso nelle comete, che sono comparabili nella composizione, afferma Pinilla-Alonso.
"Nelle comete osserviamo l'anidride carbonica come un gas, rilasciato dalla sublimazione dei ghiacci sopra o appena sotto la superficie", dice. "Tuttavia, poiché l'anidride carbonica non era mai stata osservata sulla superficie dei TNO, la convinzione comune era che fosse intrappolata sotto la superficie. Le nostre ultime scoperte ribaltano questa idea. Ora sappiamo che l'anidride carbonica non è presente solo sulla superficie dei TNO ma è anche più comune del ghiaccio d'acqua, che in precedenza pensavamo fosse il materiale superficiale più abbondante. Questa rivelazione cambia radicalmente la nostra comprensione della composizione dei TNO e suggerisce che i processi che interessano le loro superfici sono più complessi di quanto pensassimo."
I coautori dello studio Elsa Hénault, dottoranda presso l'Institut d'Astrophysique Spatiale dell'Università Paris-Saclay e il Centro nazionale francese di ricerca scientifica, e Rosario Brunetto, supervisore di Hénault, hanno introdotto una prospettiva di laboratorio e chimica nell'interpretazione delle osservazioni del JWST.
Hénault ha analizzato e confrontato le bande di assorbimento dell'anidride carbonica e del monossido di carbonio in tutti gli oggetti. Anche se c'erano ampie prove della presenza di ghiaccio, c'era una grande diversità in termini di abbondanza e distribuzione, afferma Hénault.
"Mentre abbiamo trovato CO2 Per essere onnipresente tra i TNO, sicuramente non è distribuito in modo uniforme", afferma. "Alcuni oggetti sono poveri di anidride carbonica mentre altri sono molto ricchi di anidride carbonica e mostrano monossido di carbonio. Alcuni oggetti mostrano anidride carbonica pura mentre altri la contengono mescolata con altri composti. Collegare le caratteristiche dell'anidride carbonica ai parametri orbitali e fisici ci ha permesso di concludere che le variazioni dell'anidride carbonica sono probabilmente rappresentative delle diverse regioni di formazione degli oggetti e della prima evoluzione."
Attraverso l'analisi, è molto probabile che l'anidride carbonica fosse presente nel disco protoplanetario, tuttavia, è improbabile che il monossido di carbonio sia primordiale, afferma Hénault.
"Il monossido di carbonio potrebbe essere formato in modo efficiente dal costante bombardamento ionico proveniente dal nostro sole o da altre fonti", afferma. "Stiamo attualmente esplorando questa ipotesi confrontando le osservazioni con esperimenti di irradiazione ionica che possono riprodurre le condizioni di congelamento e ionizzazione delle superfici TNO."
La ricerca ha fornito alcune risposte definitive a domande di vecchia data risalenti alla scoperta dei TNO quasi 30 anni fa, ma i ricercatori hanno ancora molta strada da fare, afferma Hénault.
"Ora vengono sollevate altre domande", afferma. "In particolare, considerando l'origine e l'evoluzione del monossido di carbonio. Le osservazioni nell'intero intervallo spettrale sono così ricche che terranno sicuramente occupati gli scienziati per gli anni a venire."
Anche se le osservazioni del programma DiSCo sono prossime alla conclusione, l’analisi e la discussione dei risultati hanno ancora molta strada da fare. Le conoscenze fondamentali acquisite dallo studio si riveleranno un importante supplemento per la futura ricerca scientifica e astronomica planetaria, afferma de Prá.
"Abbiamo solo scalfito la superficie di ciò di cui sono fatti questi oggetti e di come sono nati", dice. "Ora dobbiamo comprendere la relazione tra questi ghiacci e gli altri composti presenti sulle loro superfici e comprendere l'interazione tra il loro scenario di formazione, l'evoluzione dinamica, la ritenzione volatile e i meccanismi di irradiazione nel corso della storia del sistema solare."
