Små verdener hinsides Neptun kan være Solsystemets ældste arkiv

De mindste kendte verdener uden for Neptun ser ud til at udfordre en klassisk idé om Kuiperbæltet: at kollisioner gennem milliarder af år burde have knust mange større legemer til store mængder små fragmenter og løbende fornyet deres overflader.

En fælles undersøgelse med Hubble og James Webb-rumteleskopet har i stedet fundet færre ekstremt svage transneptunske objekter, TNO'er, end flere modeller forudsiger. Samtidig ligner de små objekters farver farverne hos større medlemmer af de samme banegrupper. Det kan betyde, at de små, iskolde legemer stadig rummer fysiske spor fra planetesimalernes dannelse i Solsystemets tidlige ydre skive. 112

27 nye, svage objekter

Webbs Near-Infrared Camera, NIRCam, fandt 27 hidtil ukendte TNO'er i omkring 0,05 kvadratgrader på himlen. Objekterne vurderes at være under cirka 40 kilometer i diameter, og ét er anslået til omtrent 10 kilometer. Hubble genfandt 13 af Webbs fund i synligt lys, så forskerne kunne sammenholde målinger fra synligt lys til nær-infrarødt lys. 112

Webb-prøven gav en hældning på omtrent 0,29 for den såkaldte luminositetsfunktion i den svage ende. Det betyder i praksis, at antallet af objekter ganske vist stiger mod svagere – og normalt mindre – objekter, men langt langsommere end en simpel forlængelse af fordelingen for større objekter ville tilsige. Der er altså færre små TNO'er i undersøgelsen end flere scenarier for planetdannelse og Kuiperbæltets udvikling havde forudsagt. 12

Færre små fragmenter end ventet

Hvis kollisioner i lang tid havde været meget aktive, ville de typisk skabe en kollisionskaskade med mange små fragmenter. Den flade fordeling kan ikke alene udpege den præcise forklaring, men den svækker den enkleste version af billedet, hvor de små TNO'er primært er resterne af større legemer, der er blevet pulveriseret. 12

Mulighederne omfatter blandt andet:

• at kollisionserosion har været mindre effektiv eller har stået på i kortere tid end antaget
• at de mindste målbare TNO'er ikke hovedsageligt er kollisionsfragmenter
• at deres antal stadig afspejler den proces, der samlede støv og småsten til planetesimaler i det unge Solsystem. 12

Det flytter fokus fra senere kollisioner til de oprindelige betingelser for planetesimaldannelse. En model skal nu ikke kun forklare banerne i det ydre Solsystem, men også den observerede mangel på de mindste objekter i denne meget dybe undersøgelse.

Samme størrelsesfordeling i to forskellige banegrupper

TNO'er opdeles ofte efter deres dynamik. Den dynamisk "kolde" population har typisk stabile baner med lav hældning og tæt på cirkulære kredsløb. Den dynamisk "varme" population har mere forstyrrede eller spredte baner, som knyttes til Solsystemets senere dynamiske udvikling.

På trods af deres forskellige banehistorier fandt forskerne lignende størrelsesfordelinger blandt de små objekter i de to populationer. Det er ikke et oplagt resultat, hvis grupperne blev dannet under meget forskellige forhold og siden oplevede markant forskellig kollisionsbearbejdning. En mulig fortolkning er, at planetesimaldannelsen skabte en bredt lignende fordeling af små legemer i forskellige dele af den oprindelige skive. 112

Farverne tyder på bevarede overflader

Hubbles genfund af 13 objekter gjorde det muligt at sammenligne farver i synligt og nær-infrarødt lys. De små TNO'er viste ikke et stærkt blandet eller systematisk ændret farvemønster. I stedet følger de de samme farverelationer, der ses hos større objekter i deres respektive populationer. 113

Det stemmer med to forklaringer, som begge kan være rigtige samtidig: Nedslag, der kan omforme hele overfladen, kan have været sjældnere end ventet, eller også er nedslag mindre effektive til at fjerne de materialer, der giver objekterne deres karakteristiske farver. 113

Det er særligt interessant for objekter med spredte baner. Tyngdekraftpåvirkninger kan flytte et objekt betydeligt i Solsystemet, men de målte farvesammenhænge tyder på, at en ændret bane ikke nødvendigvis udvisker dets overflade- og sammensætningsmæssige historie. Både stabile TNO'er og dynamisk påvirkede objekter kan derfor bevare spor af forskellige fødemiljøer i det tidlige ydre Solsystem. 113

To forskere, to komplementære analyser

De to forbundne analyser blev ledet af ph.d.-forskerne Anastasia N. Morgan fra Northern Arizona University og Marielle R. Eduardo fra University of Victoria. Morgan ledede arbejdet med at kombinere billeder fra Webb og Hubble for at beskrive de små TNO'ers farver og overflader fra synligt lys til nær-infrarødt. Eduardo ledede analysen af luminositetsfunktionen, som målte fordelingen af de svage objekter og dens lave hældning. 1213

Samarbejdet mellem teleskoperne var afgørende: Webb kunne opdage de ekstremt svage objekter i infrarødt lys, mens Hubble leverede synligt-lys-målinger for en del af den samme prøve. 112

Hvad undersøgelsen endnu ikke kan afgøre

Undersøgelsen er den hidtil dybeste af sin slags, men den er ikke en komplet optælling af objekter i det ydre Solsystem. Konklusionerne bygger på 27 Webb-fund, 13 genfund i synligt lys og et meget lille himmelområde på omkring 0,05 kvadratgrader. Udvælgelseseffekter i opdagelse og genfinding, korte observationer af banerne og usikkerhed om objekternes reflektivitet begrænser også, hvor præcist lysstyrke kan omsættes til diameter. 112

Resultaterne kan derfor endnu ikke fastslå en endelig størrelsesfordeling for hele Solsystemet eller entydigt vælge mellem alle modeller for planetesimaldannelse. Skalaen på cirka 10-40 kilometer dækker desuden kun en del af den langt større TNO-population. 112

Et muligt fossilarkiv fra den oprindelige planetskive

Den centrale betydning er, at objekter, som længe mest blev undersøgt gennem ekstrapolationer, nu kan bruges som direkte observationer. Deres antal, baner og farver lægger tilsammen nye begrænsninger på, hvordan den ydre protoplanetariske skive dannede planetesimaler, og hvor meget kollisioner og planetvandring siden ændrede dem. 112

Større fælles undersøgelser med Webb og Hubble kan afgøre, om den flade fordeling af små objekter og de bevarede farverelationer går igen i flere dele af Kuiperbæltet. Hvis det sker, kan disse små TNO'er vise sig at være usædvanligt robuste fysiske fossiler fra Solsystemets første tid. 112