Webb ja Hubble löysivät Kuiperin vyöhykkeeltä pieniä kappaleita, jotka voivat säilyttää syntyhistoriansa

Aurinkokunnan laitamilla kiertävät kaikkein pienimmät tunnetut kappaleet voivat olla paljon alkuperäisempiä kuin on oletettu. Hubble- ja James Webb -avaruusteleskooppien yhteishaku löysi Neptunuksen takaa vähemmän hyvin himmeitä kohteita kuin useat mallit ennustavat. Samalla niiden värit muistuttavat suurempien, samaan ratadynaamiseen ryhmään kuuluvien kohteiden värejä. Havaintojen perusteella pienet kappaleet eivät ehkä ole pääasiassa suurempien kohteiden törmäyssirpaleita, vaan ne voivat säilyttää tietoa varhaisen Aurinkokunnan planetesimaalien synnystä. 112

Mitä teleskoopit löysivät?

Webbin NIRCam-lähikameralla löydettiin 27 aiemmin tuntematonta, himmeää Neptunuksen takaista kohdetta eli TNO:ta. Havaintoalue oli vain noin 0,05 neliöastetta. Kohteiden arvioidaan olevan läpimitaltaan alle 40 kilometriä, ja yksi niistä on arviolta noin 10 kilometrin kokoinen. Hubble havaitsi näkyvässä valossa 13 Webbin löytämistä kohteista, mikä mahdollisti niiden mittaamisen näkyvän valon ja lähi-infrapunan aallonpituuksilla. 112

TNO:t ovat Auringon ympäri Neptunuksen radan ulkopuolella kiertäviä pieniä kappaleita. Monet niistä kuuluvat Kuiperin vyöhykkeeseen, Aurinkokunnan kylmään ja harvaan alueeseen, jossa on säilynyt aineista Aurinkokunnan muodostumisen alkuvaiheista.

Webbin löytönäytteessä kohteiden kirkkausjakauman himmeän pään kulmakerroin oli noin 0,29. Käytännössä kohteiden määrä kasvaa sitä mukaa, kun ne ovat himmeämpiä ja yleensä pienempiä, mutta kasvu on odotettua loivempaa. Pieniä kappaleita löytyi siten vähemmän kuin suurempien kohteiden perusteella tehdyt suoraviivaiset ennusteet ja useat planeettojen muodostumista sekä Kuiperin vyöhykkeen kehitystä koskevat mallit olettivat. 12

Vähemmän pieniä kappaleita kuin törmäysmalleissa

Jos Kuiperin vyöhykkeellä olisi pitkään jatkunut voimakas törmäysten ketju, suurempien kappaleiden hajoamisen pitäisi tuottaa runsaasti pieniä sirpaleita. Loiva himmeän pään jakauma ei yksin kerro, mikä mekanismi on oikea, mutta se kyseenalaistaa yksinkertaisimman tulkinnan, jossa havaittavat pienet TNO:t ovat pääosin suurempien kohteiden murskaantunutta jäännösainesta. 12

Mahdollisia selityksiä on useita:

• törmäyseroosio on voinut olla oletettua tehottomampaa tai lyhytkestoisempaa;
• pienimmät nyt havaittavat TNO:t eivät ehkä ole pääasiassa törmäyssirpaleita;
• niiden runsaus voi säilyttää jäljen siitä, miten varhaisen Aurinkokunnan pöly ja kiinteä aine kasautuivat planetesimaaleiksi eli planeettojen rakennusaihioiksi. 12

Tulos siirtää huomion pelkistä myöhemmistä törmäyksistä planetesimaalien syntyolosuhteisiin. Toimivan mallin on jatkossa selitettävä sekä ulkoisen Aurinkokunnan kappaleiden radat että se, miksi tässä syvässä näytteessä kaikkein pienimpiä kohteita on niin niukasti.

Kylmien ja dynaamisesti kuumien ryhmien koot muistuttavat toisiaan

TNO:t jaetaan usein ratojensa perusteella ryhmiin. Dynaamisesti kylmillä kohteilla on yleensä vakaammat, vähän ratatasosta poikkeavat ja lähes ympyränmuotoiset radat. Dynaamisesti kuumilla kohteilla radat ovat voimakkaammin poikkeavia tai hajaantuneita; niiden ratoihin on yhdistetty Aurinkokunnan myöhempi dynaaminen kehitys.

Näistä erilaisista taustoista huolimatta pienimpien kohteiden kokojakaumat olivat tutkimuksessa samankaltaiset kylmässä ja kuumassa populaatiossa. Se ei ole itsestään selvä tulos, jos ryhmät syntyivät hyvin erilaisissa oloissa ja kokivat myöhemmin hyvin erilaista törmäyskäsittelyä. Yksi tulkinta on, että planetesimaalien muodostuminen tuotti varhaisen protoplanetaarisen kiekon eri alueilla suurin piirtein samanlaisen pienten kappaleiden kokojakauman. 112

Värit viittaavat säilyneisiin pintoihin

Hubblen 13 kohteesta tekemät näkyvän valon havainnot mahdollistivat niiden näkyvän valon ja lähi-infrapunan värien vertailun. Pienet TNO:t eivät muodostaneet voimakkaasti sekoittunutta tai järjestelmällisesti muuttunutta värijoukkoa. Sen sijaan ne noudattivat samoja populaatiokohtaisia värisuhteita kuin suuremmatkin kohteet. 113

Havainto sopii kahteen toisiaan poissulkemattomaan selitykseen: koko pinnan uudistavia törmäyksiä on voinut tapahtua vähemmän kuin odotettiin, tai törmäykset eivät poista väreistä vastaavia pintamateriaaleja niin tehokkaasti kuin malleissa on arvioitu. 113

Tämä on erityisen kiinnostavaa dynaamisesti hajaantuneiden kohteiden kohdalla. Painovoimavuorovaikutukset voivat muuttaa kappaleen rataa merkittävästi, mutta värisuhteiden säilyminen viittaa siihen, ettei siirtyminen uudelle radalle välttämättä pyyhi pois tietoa pinnan koostumuksesta. Sekä vakailla radoilla olevat että myöhemmin hajaantuneet TNO:t voivat siis säilyttää vihjeitä erilaisista synty-ympäristöistään varhaisessa ulkoisessa Aurinkokunnassa. 113

Kahden tutkijan täydentävät tehtävät

Yhteenkytkettyjä analyysejä johtivat kaksi väitöskirjatutkijaa. Northern Arizona Universityn Anastasia N. Morgan johti tutkimusta, jossa Webbin ja Hubblen kuvia yhdistettiin pienten TNO:iden näkyvän valon ja lähi-infrapunan värien sekä pintojen selvittämiseksi. University of Victorian Marielle R. Eduardo johti kirkkausjakauman analyysiä, jossa mitattiin himmeiden kohteiden jakauma ja sen loiva kulmakerroin. 1213

Teleskoopit täydensivät toisiaan: Webb ulotti haun poikkeuksellisen himmeisiin infrapunahavaintoihin, kun taas Hubble toi osalle samoista kohteista näkyvän valon mittaukset. 112

Mitä tutkimus ei vielä ratkaise?

Kyseessä oli ennätyssyvä kartoitus, ei ulkoisen Aurinkokunnan täydellinen väestönlaskenta. Päätelmiä rajoittavat 27 Webbin havaintoa, 13 näkyvän valon uusintahavaintoa ja noin 0,05 neliöasteen taivasalue. Havainto- ja uusintahavaintovalikoituminen, lyhyet ratakaaret sekä epävarmuus kirkkauden muuttamisesta läpimitaksi oletetun heijastuskyvyn avulla rajoittavat myös sitä, kuinka pitkälle tuloksia voidaan yleistää. 112

Tutkimus ei siksi vielä määritä koko Aurinkokuntaa koskevaa lopullista kokojakaumaa eikä valitse yksiselitteisesti kaikkien planetesimaalien muodostumismekanismien väliltä. Arvioitu 10–40 kilometrin kokoluokka on lisäksi vain yksi osa paljon laajemmasta TNO-populaatiosta. 112

Ulkoisen Aurinkokunnan fossiiliaineistoa

Tutkimuksen keskeinen merkitys on siinä, että kappaleita, joita aiemmin tarkasteltiin pitkälti ekstrapolaatioiden avulla, voidaan nyt käyttää suorana havaintoaineistona. Niiden määrä, radat ja värit rajaavat yhdessä sitä, miten ulompi protoplanetaarinen kiekko tuotti planetesimaaleja ja kuinka paljon myöhemmät törmäykset sekä planeettojen vaellus muokkasivat niitä. 112

Laajemmat Hubble- ja Webb-tyyppiset yhteiskartoitukset voivat selvittää, toistuvatko loiva pienten kohteiden jakauma ja säilyneet värisuhteet muuallakin Kuiperin vyöhykkeellä. Jos näin käy, pienet TNO:t voivat osoittautua poikkeuksellisen kestäviksi fyysisiksi fossiileiksi Aurinkokunnan varhaisimmalta ajalta. 112