Webb ja Hubble löysivät 27 pientä Kuiperin vyöhykkeen kohdetta

Neptunuksen radan takaa löydetyt 27 uutta, äärimmäisen himmeää kohdetta tarjoavat poikkeuksellisen suoran näkymän aurinkokunnan pienimpiin säilyneisiin rakennusosiin. James Webb -avaruusteleskoopin ja Hubble-avaruusteleskoopin yhteishavainto osoittaa, että pieniä Neptunuksen takaisia kohteita eli TNO-kappaleita on vähemmän kuin suuremmista kohteista tehdyt ennusteet antaisivat olettaa. Samalla niiden väreissä näkyy yhä niiden synty-ympäristöihin liittyviä piirteitä. 1

Juuri tämä yhdistelmä tekee tuloksesta kiinnostavan. Jos jokin prosessi on vähentänyt tehokkaasti pienten kappaleiden määrää, sen voisi odottaa myös muuttaneen tai sekoittaneen niiden pintoja. Nyt havainnot viittaavat siihen, että hyvin pienetkin kohteet ovat säilyttäneet vihjeitä aurinkokunnan varhaisista oloista.

Mitä teleskoopit havaitsivat?

Kartoituksessa löytyi 27 aiemmin tuntematonta TNO-kohdetta Kuiperin vyöhykkeeltä, Neptunuksen radan takaisesta jäisten kappaleiden alueesta. Osa niistä kuuluu pienimpiin ja himmeimpiin koskaan suoraan havaittuihin TNO-kappaleisiin. Tulokset on raportoitu kahdessa toisiaan täydentävässä tutkimuksessa The Astronomical Journal -lehdessä. 15

Webb tuotti syvät infrapunahavainnot Near-Infrared Camera -kamerallaan. Hubble puolestaan havaitsi näkyvää valoa, mikä auttoi tutkijoita määrittämään kohteiden värejä ja ratoja. 13

Kohteita ei nähty teleskooppikuvissa erillisinä kiekkoina, vaan pistemäisinä valonlähteinä. Niiden koot päätellään kirkkaudesta, joten halkaisija-arviot riippuvat oletuksista kohteiden heijastavuudesta eli albedosta. Tutkimuksen vahvin tulos koskeekin koko populaation ominaisuuksia, ei jokaisen yksittäisen kohteen tarkkaa fyysistä mittaa. 1

Pienimpiä kappaleita puuttuu odotettua enemmän

Havainnot ulottuvat TNO-kappaleiden kirkkausjakaumassa selvästi aiempaa suoraa etsintää himmeämpiin kohteisiin. Tuloksen mukaan pienimpiä kappaleita on vähemmän kuin suurempien TNO-kappaleiden määristä tehty suoraviivainen ekstrapolointi ennustaisi. 13

Tämä haastaa malleja, jotka kuvaavat planeettojen varhaisten kiinteiden rakennuspalikoiden, planetesimaalien, syntyä ja kehitystä aurinkokunnan ulko-osissa. Havainto ei kuitenkaan vielä kerro, mistä pienimpien kappaleiden vajaus johtuu.

Mahdollisia pääselityksiä on kaksi:

1. Alkuperäinen niukkuus: planetesimaalien muodostumisprosessi saattoi tuottaa hyvin pieniä kohteita vähemmän kuin monissa malleissa oletetaan.
2. Myöhempi väheneminen: pieniä kappaleita saattoi olla aluksi enemmän, mutta törmäykset ja myöhempi ratadynamiikka saattoivat hajottaa tai poistaa niitä erityisen tehokkaasti. 1

Värit kertovat syntyhistoriasta

Näkyvän valon ja infrapunan värit toimivat karkeana sormenjälkenä TNO-kappaleiden pintaominaisuuksille. Uudet kohteet jatkavat suuremmista TNO-kappaleista tunnettua yhteyttä värin ja dynaamisen populaation välillä: dynaamisesti kylmien populaatioiden kohteilla on erilainen värijakauma kuin dynaamisesti kuumien populaatioiden kohteilla. 1

Tässä dynaamisesti kylmä ei tarkoita matalaa lämpötilaa. Sillä viitataan ratoihin, jotka ovat vähemmän häiriintyneitä – esimerkiksi ratatasoon nähden vähemmän kallistuneita. Dynaamisesti kuumilla kohteilla radat ovat voimakkaammin virittyneitä, ja niiden ajatellaan yleensä siirtyneen tai häiriintyneen aurinkokunnan varhaisen kehityksen aikana.

Merkittävä havainto on, että populaatioihin liittyvä väriero säilyy myös näissä hyvin pienissä kohteissa. Niiden pintoja eivät siis ilmeisesti ole täysin peittäneet myöhemmät törmäykset, kuluminen tai muut aurinkokunnan historian aikana vaikuttaneet prosessit. 12

Haaste Kuiperin vyöhykkeen malleille

Kokojakauma ja värit on pystyttävä selittämään samanaikaisesti.

Jos pienten TNO-kappaleiden vähyys on alkuperäistä, muodostumismallien täytyy selittää, miksi pieniä planetesimaaleja syntyi suhteellisen vähän mutta kylmien ja dynaamisesti kuumien populaatioiden erilliset pintaominaisuudet syntyivät ja säilyivät.

Jos taas törmäykset ovat myöhemmin vähentäneet pienten kappaleiden määrää, niiden on täytynyt tehdä se hävittämättä värieroja, jotka viittaavat erilaisiin synty-ympäristöihin. Tämä jännite tekee havainnosta arvokkaan: se rajoittaa sekä Kuiperin vyöhykkeen alkuperäistä kokojakaumaa että sitä, kuinka voimakkaasti alue on muuttunut törmäysten seurauksena. 1

Syvin TNO-kartoitus, mutta ei vielä täydellinen vastaus

Toisiaan täydentäviä analyysejä johtivat väitöskirjatutkijat Anastasia N. Morgan ja Marielle R. Eduardo. Toinen tutkimuslinja keskittyi erittäin himmeiden TNO-kappaleiden kirkkausfunktioon eli lukumääräjakaumaan, toinen väreihin, koostumukseen ja dynaamisten populaatioiden tulkintaan. 357

Tutkijat kuvaavat ohjelmaa tähän mennessä syvimmäksi TNO-tutkimukseksi. Se vie suorat havainnot alueelle, jota oli aiemmin arvioitu lähinnä kirkkaampien kohteiden perusteella. 1

Silti 27 löytöä rajatulta taivaanalueelta ei ole Kuiperin vyöhykkeen täydellinen väestönlaskenta. Havaintojen perusteella ei vielä voida määrittää tarkasti kaikkien kohteiden halkaisijoita, albedoja tai yksityiskohtaisia koostumuksia – eikä ratkaista lopullisesti, kumpi pienten kohteiden vähyyden selityksistä on oikea. Tulokset ovat vahvimmillaan populaatiotason näyttönä ja tiukkana testinä seuraavan sukupolven muodostumis- ja törmäyskehitysmalleille. 114

Keskeinen tulos ei siis ole vain 27 uuden himmeän kohteen löytyminen. Ne ovat samaan aikaan lukumäärältään arvoituksellisen harvinaisia ja historiastaan kertovia: niiden määrä haastaa odotukset, mutta värit näyttävät yhä säilyttävän jäljen siitä, missä ne syntyivät.