התרשמות של אמן מאובייקט חגורת קויפר (KBO), הממוקם על השפה החיצונית של מערכת השמש שלנו במרחק מדהים של 4 מיליארד קילומטרים מהשמש. קרדיט: נאס"א, ESA ו-G. בייקון (STScI)
צוות מחקר בראשות UCF גילה נוכחות משמעותית של קרח פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני קדומים על עצמים טרנס-נפטוניים, מה שמעיד על כך שייתכן שפחמן דו חמצני היה נוכח במהלך היווצרות מערכת השמש שלנו.
בפעם הראשונה התגלו קרחונים של פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני על עצמים טרנס-נפטוניים (TNOs) באזורים החיצוניים ביותר של מערכת השמש שלנו.
צוות מחקר, בראשות המדענים הפלנטריים, Mário Nascimento De Prá ונומי פינילה-אלונסו ממכון החלל בפלורידה של אוניברסיטת מרכז פלורידה (FSI), עשה את הממצאים על ידי שימוש ביכולות הספקטרליות האינפרא אדום של טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST) לנתח את ההרכב הכימי של 59 עצמים טרנס-נפטוניים וקנטאורים.
המחקר החלוצי, שפורסם ב אסטרונומיה של הטבע, עולה כי קרח פחמן דו חמצני היה בשפע באזורים החיצוניים הקרים של ה- דיסק פרוטופלנטריהדיסק העצום המסתובב של גז ואבק שממנו נוצרה מערכת השמש. יש צורך בחקירה נוספת כדי להבין את מקורו של קרח חד-חמצני הפחמן, שכן הוא נפוץ גם ב-TNOs במחקר.
החוקרים דיווחו על זיהוי של פחמן דו חמצני ב-56 TNOs ופחמן חד חמצני ב-28 (פלוס שישה עם גילויים מפוקפקים או שוליים), מתוך מדגם של 59 עצמים שנצפו ב-JWST. פחמן דו חמצני היה נפוץ על פני השטח של האוכלוסייה הטרנס-נפטונית, ללא תלות במעמד הדינמי ובגודל הגוף בעוד שפחמן חד חמצני זוהה רק בעצמים עם שפע פחמן דו חמצני גבוה, לפי המחקר.
ספקטרום של פני השטח של עצם טרנס-נפטואני עשיר בקרח נדיף פחמן שהושג עם JWST כחלק מתוכנית DiSCo Large. ספיגה של פחמן דו חמצני (CO2), האיזוטפולוג שלו (13CO2) ופחמן חד חמצני מודגשות בצהוב. אור השמש (קרוב למרכז התמונה) מעומעם במרחק של מיליארדי קילומטרים, היכן שוכנים העצמים הטרנס-נפטוניים. קרדיט: ויליאם גונזלס סיירה, מכון החלל של פלורידה
העבודה היא חלק מתוכנית Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs) בהובלת UCF, אחת מתוכניות JWST המתמקדות בניתוח מערכת השמש שלנו.
"זו הפעם הראשונה שצפינו באזור זה של הספקטרום עבור אוסף גדול של TNOs, אז במובן מסוים, כל מה שראינו היה מרגש וייחודי", אומר דה פרא, שהיה שותף למחקר. "לא ציפינו לגלות שפחמן דו חמצני נמצא כל כך בכל מקום באזור ה-TNO, ואף פחות מכך שפחמן חד חמצני היה קיים בכל כך הרבה TNOs."
גילוי הקרח יכול לעזור לנו עוד יותר להבין את היווצרות מערכת השמש שלנו וכיצד ייתכן שעצמים שמימיים נדדו, הוא אומר.
"אובייקטים טרנס-נפטוניים הם שרידים מתהליך היווצרות כוכבי הלכת", אומר דה פרא. "ממצאים אלה יכולים להטיל אילוצים חשובים לגבי היכן נוצרו העצמים הללו, כיצד הם הגיעו לאזור בו הם חיים כיום, וכיצד התפתחו פני השטח שלהם מאז היווצרותם. מכיוון שהם נוצרו במרחקים גדולים יותר מהשמש והם קטנים יותר מכוכבי הלכת, הם מכילים את המידע הבתולי על ההרכב המקורי של הדיסק הפרוטופלנטרי."
תיעוד של קרח עתיק
קרח פחמן חד חמצני נצפה על פלוטו על ידי הגשושית של New Horizons, אך לא עד ל-JWST היה מצפה כוכבים חזק מספיק כדי לאתר ולזהות עקבות של קרח פחמן חד חמצני או קרח פחמן דו חמצני על האוכלוסייה הגדולה ביותר של TNOs.
פחמן דו חמצני נמצא בדרך כלל בעצמים רבים במערכת השמש שלנו. אז, צוות DiSCo היה סקרן לראות אם הוא קיים בכמויות גדולות יותר מעבר לטווח של נפטון.
סיבות אפשריות להיעדר גילויים קודמים של קרח פחמן דו חמצני על TNOs כוללות שפע נמוך יותר, פחמן דו חמצני לא נדיף הנקבר מתחת לשכבות של קרח פחות נדיף וחומרים עקשן לאורך זמן, המרה למולקולות אחרות באמצעות הקרנה, ומגבלות תצפית פשוטות. , על פי המחקר.
הגילוי של פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני על ה-TNOs מספק הקשר מסוים ובמקביל גם מעלה שאלות רבות, אומר דה פרא.
"בעוד שהפחמן הדו-חמצני כנראה הצטבר מהדיסק הפרוטו-פלנטרי, מקור הפחמן החד-חמצני אינו ודאי יותר", הוא אומר. "זה האחרון הוא קרח נדיף אפילו במשטחים הקרים של ה-TNOs. אנחנו לא יכולים לשלול שפחמן חד חמצני הצטבר בראשיתו ואיכשהו נשמר עד למועד הנוכחי. עם זאת, הנתונים מצביעים על כך שהוא עשוי להיווצר על ידי הקרנה מקרח נושאי פחמן".
מפולת של תשובות
אישור נוכחותם של פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני על TNOs פותח הזדמנויות רבות להמשיך ולחקור ולכמת כיצד או מדוע הוא קיים, אומר Pinilla-Alonso, שגם היה שותף לכתיבת המחקר ומוביל את תוכנית DiSCo-TNOs.
"הגילוי של פחמן דו חמצני על עצמים טרנס-נפטוניים היה מרגש, אבל מרתקים עוד יותר היו המאפיינים שלו", היא אומרת. "הטביעה הספקטרלית של פחמן דו חמצני חשפה שני קומפוזיציות משטחים נפרדות בתוך המדגם שלנו. בכמה TNOs, פחמן דו חמצני מעורבב עם חומרים אחרים כמו מתנול, קרח מים וסיליקטים. עם זאת, בקבוצה אחרת – שבה פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני הם מרכיבי פני השטח העיקריים – החתימה הספקטרלית הייתה ייחודית להפליא. טביעת פחמן דו חמצני חדה זו אינה דומה לשום דבר שנצפה על גופים אחרים של מערכת השמש או אפילו משוכפל במערכות מעבדה."
כעת נראה ברור שכאשר פחמן דו חמצני נמצא בשפע, הוא נראה מבודד מחומרים אחרים, אבל זה לבדו לא מסביר את צורת הרצועה, אומר פינילה-אלונסו. הבנת רצועות הפחמן הדו-חמצני הללו היא תעלומה נוספת, כנראה קשורה לתכונות האופטיות הייחודיות שלהן ולאופן שבו הן מחזירות או סופגות צבעי אור ספציפיים, היא אומרת.
מקובל היה לחשוב שאולי פחמן דו חמצני עשוי להיות קיים ב-TNOs שכן פחמן דו חמצני קיים במצב גזי בשביטים, שהם דומים בהרכבם, אומר פינילה-אלונסו.
"בשביטים אנו צופים בפחמן דו חמצני כגז, המשתחרר מהסובלימציה של קרח על פני השטח או ממש מתחת", היא אומרת. "עם זאת, מאחר שפחמן דו חמצני מעולם לא נצפה על פני השטח של TNOs, האמונה הרווחת הייתה שהוא לכוד מתחת לפני השטח. הממצאים האחרונים שלנו משפרים את הרעיון הזה. כעת אנו יודעים שפחמן דו חמצני קיים לא רק על פני השטח של TNOs אלא הוא גם נפוץ יותר מקרח מים, שבעבר חשבנו שהוא חומר השטח הנפוץ ביותר. הגילוי הזה משנה באופן דרמטי את ההבנה שלנו לגבי הרכב ה-TNOs ומצביע על כך שהתהליכים המשפיעים על פני השטח שלהם מורכבים יותר ממה שהבנו".
הפשרת הנתונים
מחברי המחקר אלזה הנו, דוקטורנטית ב-Institut d'Astrophysique Spatiale של אוניברסיטת פריז-סקליי, ובמרכז הצרפתי הלאומי למחקר מדעי, ורוסאריו ברונטו, המנחה של הנאו, הביאו פרספקטיבה מעבדתית וכימית לפרשנות של תצפיות JWST.
Hénault ניתח והשווה את פסי הספיגה של פחמן דו חמצני ופחמן חד חמצני בכל העצמים. אמנם היו עדויות רבות לקרח, אבל היה מגוון גדול בשפע ובתפוצה, אומר הנו.
"למרות שמצאנו ש-CO2 נמצא בכל מקום בכל TNO, הוא בהחלט לא מופץ באופן אחיד", היא אומרת. "חלק מהעצמים עניים בפחמן דו חמצני בעוד שאחרים עשירים מאוד בפחמן דו חמצני ומציגים פחמן חד חמצני. חלק מהעצמים מציגים פחמן דו חמצני טהור בעוד שאחרים מעורבבים אותו עם תרכובות אחרות. קישור המאפיינים של פחמן דו חמצני לפרמטרים מסלוליים ופיזיקליים איפשר לנו להגיע למסקנה ששורי פחמן דו חמצני מייצגים ככל הנראה את אזורי ההיווצרות השונים של העצמים ואת האבולוציה המוקדמת".
באמצעות ניתוח, סביר מאוד שפחמן דו חמצני היה קיים בדיסק הפרוטו-פלנטרי, עם זאת, סביר להניח שפחמן חד חמצני לא יהיה ראשוני, אומר הנו.
"פחמן חד חמצני יכול להיווצר ביעילות על ידי הפצצת יונים מתמדת שמגיעה מהשמש שלנו או ממקורות אחרים", היא אומרת. "אנו בוחנים כעת השערה זו על ידי השוואת התצפיות עם ניסויי קרינת יונים שיכולים לשחזר את תנאי ההקפאה והיינון של משטחי TNO."
המחקר הביא כמה תשובות ברורות לשאלות ארוכות מאז גילוי TNOs לפני כמעט 30 שנה, אבל לחוקרים יש עוד דרך ארוכה לעבור, אומר Hénault.
"עכשיו עולות שאלות אחרות", היא אומרת. "במיוחד, בהתחשב במקורו והתפתחותו של חד תחמוצת הפחמן. התצפיות על פני כל הטווח הספקטרלי הן כה עשירות שהן בהחלט יעסיקו את המדענים במשך שנים רבות".
למרות שהתצפיות בתוכנית DiSCo מתקרבות למסקנה, לניתוח והדיון בתוצאות יש עוד דרך ארוכה לעבור. הידע הבסיסי שנרכש מהמחקר יתגלה כתוספת חשובה למדע פלנטרי ואסטרונומיה עתידיים, אומר דה פרא.
"שרטנו רק את פני השטח ממה עשויים החפצים האלה ואיך הם נוצרו", הוא אומר. "כעת עלינו להבין את הקשר בין הקרחונים הללו לשאר התרכובות הקיימות על פני השטח שלהם ולהבין את יחסי הגומלין בין תרחיש היווצרותם, אבולוציה דינמית, שימור נדיף ומנגנוני הקרנה לאורך ההיסטוריה של מערכת השמש."
המחקר מומן על ידי נאס"א.
