Winzige Welten jenseits des Neptun stellen Modelle zum Kuipergürtel infrage

Die kleinsten bislang direkt untersuchten Welten jenseits des Neptun könnten ein überraschend gut erhaltenes Archiv der Frühzeit des Sonnensystems sein. Eine gemeinsame Durchmusterung mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem James-Webb-Weltraumteleskop fand nämlich weniger extrem kleine transneptunische Objekte (TNOs) als erwartet. Zugleich ähneln ihre Farben jenen größerer Mitglieder derselben Bahnpopulationen. Das stellt die einfache Annahme infrage, Kollisionen hätten den Kuipergürtel über Milliarden Jahre vor allem in zahllose kleine Bruchstücke zermahlen und deren Oberflächen immer wieder erneuert. 112

27 neue, extrem lichtschwache Objekte

Webbs Nahinfrarotkamera NIRCam entdeckte 27 zuvor unbekannte TNOs in einem Himmelsausschnitt von nur etwa 0,05 Quadratgrad. Die Objekte sind nach den Schätzungen kleiner als rund 40 Kilometer; eines könnte nur ungefähr 10 Kilometer Durchmesser haben. Hubble konnte 13 dieser Webb-Entdeckungen im sichtbaren Licht wiederfinden. Dadurch ließ sich für diesen Teil der Probe Licht vom sichtbaren Bereich bis ins nahe Infrarot vergleichen. 112

TNOs umkreisen die Sonne außerhalb der Neptunbahn. Sie sind klein, sehr kalt und so lichtschwach, dass sie selbst für Weltraumteleskope meist nur als Punkte erscheinen. Gerade deshalb war ihre Häufigkeit im Bereich weniger Dutzend Kilometer bislang weitgehend aus Beobachtungen größerer Körper hochgerechnet worden.

Die neue Webb-Stichprobe ergibt für das schwache Ende der Helligkeitsverteilung eine Steigung von ungefähr 0,29. Vereinfacht gesagt: Zu schwächeren – und im Durchschnitt kleineren – Objekten hin nimmt ihre Zahl zwar zu, aber deutlich langsamer als bei einer einfachen Fortschreibung von größeren TNOs zu erwarten wäre. 12

Weniger Kleinkörper als erwartet – warum das wichtig ist

Ein lange anhaltendes, intensives Kollisionsgeschehen sollte viele kleine Fragmente hervorbringen. Die flache Verteilung der schwächsten Objekte liefert für sich allein noch keine eindeutige Erklärung. Sie schwächt aber das einfachste Bild: dass die kleinen TNOs überwiegend der zermahlene Rest größerer Körper sind. 12

Daraus ergeben sich mehrere mögliche Schlussfolgerungen:

• Die kollisionsbedingte Abtragung könnte weniger wirksam gewesen sein oder kürzer gedauert haben als in manchen Modellen angenommen.
• Die kleinsten derzeit erreichbaren TNOs sind möglicherweise nicht hauptsächlich Bruchstücke von Kollisionen.
• Ihre Häufigkeit könnte noch einen Abdruck des ursprünglichen Prozesses bewahren, der feste Teilchen in der frühen protoplanetaren Scheibe zu Planetesimalen – den Bausteinen von Planeten – zusammenführte. 12

Damit rückt nicht nur die spätere Kollisionsgeschichte in den Fokus, sondern auch die Ausgangsbedingungen der Planetenentstehung. Ein erfolgreiches Modell muss künftig sowohl die Bahnen der Objekte im äußeren Sonnensystem als auch den beobachteten Mangel an den kleinsten Körpern in dieser tiefen Suche erklären.

„Kalte“ und „heiße“ Populationen sehen bei kleinen Objekten ähnlich aus

Astronominnen und Astronomen unterscheiden TNOs unter anderem nach ihrem Bahnverhalten. Dynamisch „kalte“ Objekte bewegen sich typischerweise auf relativ stabilen, wenig geneigten und annähernd kreisförmigen Bahnen. Dynamisch „heiße“ Objekte besitzen stärker angeregte oder gestreute Bahnen, die mit der späteren dynamischen Entwicklung des Sonnensystems verbunden sind.

Trotz dieser unterschiedlichen Geschichte ergab die Untersuchung für beide Gruppen ähnliche Größenverteilungen kleiner Objekte. Das wäre nicht selbstverständlich, wenn sie in deutlich verschiedenen Umgebungen entstanden wären und anschließend sehr unterschiedlich starke Kollisionen erlebt hätten. Eine Deutung lautet daher, dass die Planetesimalbildung in verschiedenen Bereichen der ursprünglichen Scheibe ein grundsätzlich ähnliches Spektrum kleiner Körper hervorgebracht haben könnte. 112

Die Farben der kleinen Körper wirken nicht „zurückgesetzt“

Die Hubble-Nachbeobachtungen erlaubten für 13 Objekte einen Vergleich von sichtbaren und nahinfraroten Farben. Statt einer stark durchmischten oder systematisch veränderten Farbpalette folgen die kleinen TNOs denselben populationsabhängigen Farbzusammenhängen wie größere Objekte. 113

Das ist mit zwei sich nicht ausschließenden Erklärungen vereinbar: Einschläge, die eine gesamte Oberfläche grundlegend erneuern könnten, waren möglicherweise seltener als erwartet. Oder solche Einschläge löschen die Materialien, die für die beobachteten Farbsignaturen verantwortlich sind, weniger effizient als theoretische Modelle nahelegen. 113

Besonders aufschlussreich ist das für gestreute Objekte. Gravitative Wechselwirkungen können ihre Bahnen stark verändern, doch die erhaltenen Farbzusammenhänge deuten darauf hin, dass ein Ortswechsel im Sonnensystem die chemisch-physikalische Signatur der Oberfläche nicht zwangsläufig verwischt. Sowohl stabile als auch dynamisch angeregte TNOs könnten also Hinweise auf unterschiedliche Entstehungsregionen im frühen äußeren Sonnensystem bewahrt haben. 113

Wer die beiden Analysen leitete

Die verbundenen Untersuchungen wurden von zwei Promovierenden geleitet. Anastasia N. Morgan von der Northern Arizona University führte die Analyse an, die Webb- und Hubble-Bilder kombinierte, um Farben und Oberflächeneigenschaften der kleinen TNOs vom sichtbaren Licht bis ins nahe Infrarot zu bestimmen. Marielle R. Eduardo von der University of Victoria leitete die Analyse der Helligkeitsfunktion – also der Verteilung der Objektzahlen nach Helligkeit –, aus der die flache Steigung für die lichtschwachen Körper hervorging. 1213

Die Arbeitsteilung zeigt den Vorteil der Kombination beider Observatorien: Webb konnte extrem schwache Objekte im Infrarot aufspüren; Hubble lieferte für einen Teil derselben Probe Messungen im sichtbaren Bereich. 112

Was die Untersuchung noch nicht entscheiden kann

Die Durchmusterung ist die bislang tiefste ihrer Art, aber keine vollständige Bestandsaufnahme des äußeren Sonnensystems. Ihre Aussagekraft ist durch die 27 Webb-Entdeckungen, die 13 Hubble-Wiederentdeckungen und das kleine untersuchte Himmelsfeld begrenzt. Auswahl- und Nachweisverzerrungen, kurze beobachtete Bahnbögen sowie Unsicherheiten bei der Umrechnung von Helligkeit in Durchmesser – dafür muss ein Rückstrahlvermögen angenommen werden – schränken die Verallgemeinerbarkeit zusätzlich ein. 112

Die Studie kann daher noch keine endgültige Größenverteilung für das gesamte Sonnensystem festlegen und nicht eindeutig zwischen allen Mechanismen der Planetesimalbildung entscheiden. Auch der Bereich von etwa 10 bis 40 Kilometern bildet nur einen kleinen Ausschnitt der viel größeren TNO-Population ab. 112

Ein mögliches Fossilarchiv der Ur-Scheibe

Die zentrale Bedeutung liegt darin, dass Objekte, die bislang vor allem durch Hochrechnungen beschrieben wurden, nun direkt beobachtbar werden. Ihre Anzahl, Bahnen und Farben setzen gemeinsam Grenzen dafür, wie die äußere protoplanetare Scheibe Planetesimale hervorbrachte – und wie stark Kollisionen sowie die Wanderung der Planeten diese Körper später veränderten. 112

Größere gemeinsame Hubble- und Webb-Durchmusterungen können nun prüfen, ob die flache Verteilung kleiner Objekte und die erhaltenen Farbverhältnisse in weiteren Regionen des Kuipergürtels wieder auftauchen. Sollte sich das bestätigen, wären die winzigen TNOs außergewöhnlich widerstandsfähige physische Fossilien aus der frühesten Epoche unseres Sonnensystems. 112