Webb en Hubble vinden piepkleine Kuipergordelobjecten die hun oorsprong mogelijk bewaren

De kleinste bekende werelden voorbij Neptunus zetten een gangbare aanname over de Kuipergordel onder druk. Veel modellen verwachten dat botsingen grote aantallen kleine brokstukken hebben geproduceerd en oppervlakken geregeld hebben vernieuwd. Maar een gezamenlijke speurtocht met de Hubble-ruimtetelescoop en de James Webb Space Telescope vond juist minder uiterst zwakke transneptunische objecten (TNO's) dan verwacht. Hun kleuren lijken bovendien op die van grotere objecten uit dezelfde baanpopulaties. Dat wijst erop dat deze kleine ijzige lichamen mogelijk nog sporen dragen van hun ontstaan in de jonge buitenste zone van het zonnestelsel. 112

27 nieuwe, zwakke werelden

Webbs Near-Infrared Camera (NIRCam) ontdekte 27 voorheen onbekende, zwakke TNO's in ongeveer 0,05 vierkante graad aan hemel. De objecten zouden kleiner zijn dan circa 40 kilometer; één daarvan wordt geschat op ongeveer 10 kilometer doorsnee. Hubble zag 13 Webb-detecties terug in zichtbaar licht. Daardoor konden de onderzoekers metingen combineren van zichtbaar licht tot nabij-infrarood. 112

TNO's draaien om de zon buiten de baan van Neptunus. Ze gelden als overblijfselen uit de vormingstijd van het zonnestelsel, maar zijn zo lichtzwak dat de allerkleinste tot nu toe vooral via extrapolaties werden bestudeerd.

De Webb-steekproef geeft voor het zwakke uiteinde van de helderheidsfunctie een helling van ongeveer 0,29. Simpel gezegd: naar zwakkere – en doorgaans kleinere – objecten neemt het aantal wel toe, maar veel langzamer dan je zou verwachten door de populatie grotere objecten door te trekken. De telling leverde dus minder kleine lichamen op dan verschillende scenario's voor planeetvorming en de evolutie van de Kuipergordel voorspellen. 12

Minder botsingspuin dan verwacht

Een lang aanhoudende, zeer actieve keten van botsingen zou veel kleine fragmenten moeten opleveren. De vlakke verdeling van zwakke objecten wijst niet op één unieke verklaring, maar maakt het eenvoudige beeld minder overtuigend waarin kleine TNO's vooral verpulverd restmateriaal van grotere objecten zijn. 12

Mogelijke verklaringen zijn onder meer:

• botsingserosie werkte minder efficiënt of gedurende kortere tijd dan in sommige modellen wordt aangenomen;
• de kleinste TNO's die nu bereikbaar zijn voor waarnemingen, zijn niet hoofdzakelijk botsingsfragmenten;
• hun aantallen bewaren een afdruk van het oorspronkelijke proces waarin stof en brokstukken samenklonterden tot planetesimalen – de bouwstenen van planeten. 12

Daarmee verschuift de aandacht van latere botsingen naar de beginvoorwaarden van planeetvorming. Een bruikbaar model moet niet alleen de banen van objecten in het buitenste zonnestelsel verklaren, maar ook waarom de kleinste lichamen in deze diepe waarneming relatief schaars zijn.

‘Koude’ en ‘hete’ populaties zijn opvallend vergelijkbaar

Astronomen delen TNO's vaak in op basis van hun banen. Dynamisch koude objecten bewegen meestal in betrekkelijk stabiele, weinig gekantelde en bijna cirkelvormige banen. Dynamisch hete objecten hebben juist meer verstoorde of verstrooide banen, die samenhangen met de latere dynamische ontwikkeling van het zonnestelsel.

Ondanks die verschillende geschiedenis bleken de verdelingen van kleine objecten in beide groepen vergelijkbaar. Dat is niet vanzelfsprekend wanneer beide populaties onder sterk uiteenlopende omstandigheden ontstonden en vervolgens heel anders door botsingen werden bewerkt. Een mogelijke uitleg is dat de vorming van planetesimalen in verschillende delen van de oorspronkelijke schijf toch een grotendeels vergelijkbaar spectrum aan kleine objecten heeft voortgebracht. 112

Kleuren tonen oppervlakken die niet volledig zijn vernieuwd

Dankzij Hubbles terugvondsten konden de onderzoekers voor 13 objecten kleuren in zichtbaar en nabij-infrarood licht vergelijken. De kleine TNO's vertonen geen sterk gemengde of systematisch veranderde kleuren. In plaats daarvan volgen ze dezelfde kleurrelaties die ook bij grotere objecten binnen hun eigen populatie worden gezien. 113

Dat past bij twee verklaringen die naast elkaar kunnen gelden: inslagen die een heel oppervlak opnieuw bedekken of omwoelen, kwamen mogelijk minder vaak voor dan gedacht; of zulke inslagen wissen de materialen die de kleur bepalen minder doeltreffend uit dan modellen voorspellen. 113

Dat is vooral relevant voor dynamisch verstrooide objecten. Zwaartekrachtsinteracties kunnen hun baan ingrijpend veranderen, maar de kleurpatronen suggereren dat zo'n verhuizing hun oppervlaktesignatuur niet per se uitwist. Zowel stabiele als dynamisch aangeslagen TNO's kunnen dus aanwijzingen voor verschillende geboortegebieden in het vroege buitenste zonnestelsel hebben behouden. 113

Complementaire rol van Webb en Hubble

De twee gekoppelde analyses werden geleid door promovendi Anastasia N. Morgan van Northern Arizona University en Marielle R. Eduardo van de University of Victoria. Morgan leidde het onderzoek waarin beelden van Webb en Hubble werden gecombineerd om de kleuren en oppervlakken van kleine TNO's te bestuderen, van zichtbaar licht tot nabij-infrarood. Eduardo leidde de analyse van de helderheidsfunctie: de verdeling van objectaantallen naar helderheid waaruit de geringe helling voor zwakke objecten naar voren kwam. 1213

De samenwerking tussen de ruimtetelescopen was daarbij cruciaal: Webb kon uitzonderlijk zwakke objecten in infrarood opsporen, terwijl Hubble voor een deel van precies dezelfde populatie zichtbaarlichtmetingen leverde. 112

Wat de resultaten nog niet kunnen beslissen

Dit is een recorddiepe zoektocht, maar geen volledige inventaris van het buitenste zonnestelsel. De conclusies steunen op 27 Webb-detecties, 13 terugvondsten in zichtbaar licht en slechts ongeveer 0,05 vierkante graad hemel. Selectie-effecten bij detectie en terugvinden, korte waarnemingsbogen voor de banen en onzekerheid bij het omrekenen van helderheid naar doorsnede – waarvoor aannames over reflectiviteit nodig zijn – beperken hoe ver de uitkomsten kunnen worden veralgemeend. 112

De studie kan daarom nog geen definitieve grootteverdeling voor het hele zonnestelsel vastleggen en ook niet één vormingsmechanisme van planetesimalen als de unieke verklaring aanwijzen. Het bereik van ongeveer 10 tot 40 kilometer is bovendien maar één deel van de veel grotere TNO-populatie. 112

Een fossielenarchief van de oeroude schijf

De belangrijkste winst is dat objecten die vroeger grotendeels via extrapolatie werden bestudeerd, nu rechtstreeks waarnemingsbewijs leveren. Hun aantallen, banen en kleuren samen leggen beperkingen op aan modellen voor de vorming van planetesimalen in de buitenste protoplanetaire schijf, en aan de vraag hoeveel botsingen en planetaire migratie die wereldjes later hebben veranderd. 112

Grotere gezamenlijke onderzoeken kunnen uitwijzen of de vlakke verdeling van kleine objecten en de behouden kleurrelaties ook elders in de Kuipergordel terugkomen. Als dat zo is, kunnen deze piepkleine TNO's uitzonderlijk duurzame fysieke fossielen blijken van de vroegste fase van ons zonnestelsel. 112