Små verdener bak Neptun utfordrer teorier om Kuiperbeltet

De minste kjente verdenene utenfor Neptun er i ferd med å rokke ved en lenge etablert idé om Kuiperbeltet: at kollisjoner gjennom milliarder av år burde ha knust mange objekter til store mengder små fragmenter og stadig fornyet overflatene deres. En felles undersøkelse med romteleskopene Hubble og James Webb fant i stedet færre ekstremt svake transneptunske objekter enn ventet. Samtidig har de små objektene farger som ligner dem hos større medlemmer av de samme banegruppene. Til sammen kan dette bety at de bevarer spor etter hvordan de første planetesimalene ble dannet i solsystemets ytre skive. 112

27 nye, svært svake objekter

Webbs nærinfrarøde kamera, NIRCam, oppdaget 27 tidligere ukjente transneptunske objekter – ofte forkortet TNO-er – i et område på rundt 0,05 kvadratgrader. Objektene oppgis å være mindre enn omtrent 40 kilometer i diameter, og ett anslås å være rundt 10 kilometer bredt. Hubble fant igjen 13 av Webbs objekter i synlig lys, slik at forskerne kunne sammenligne målinger fra synlig lys til nærinfrarødt. 112

Undersøkelsen ga en helning på omtrent 0,29 for lysstyrkefordelingen i den svakeste enden. Enkelt sagt blir det flere objekter jo svakere – og som regel mindre – de er, men økningen er langt slakere enn man ville fått ved å trekke utviklingen for større objekter rett videre nedover i størrelse. Dermed fant forskerne færre små TNO-er enn flere scenarier for planetdannelse og utviklingen i Kuiperbeltet hadde forutsagt. 12

Færre små fragmenter enn forventet

Dersom Kuiperbeltet lenge hadde vært preget av en kraftig og vedvarende kollisjonskaskade, burde det normalt ha produsert mange små biter. Den grunne fordelingen peker ikke alene på én bestemt forklaring, men den svekker den enkleste versjonen av bildet der de små TNO-ene hovedsakelig er pulveriserte rester av større legemer. 12

Mulige forklaringer er blant annet at:

• kollisjonsslitasjen har vært mindre effektiv eller vart kortere enn enkelte modeller antar
• de minste målbare TNO-ene ikke først og fremst er kollisjonsfragmenter
• antallet deres fortsatt bærer preg av den opprinnelige prosessen som dannet planetesimaler i det unge solsystemet. 12

Dette flytter noe av oppmerksomheten fra senere kollisjoner til startbetingelsene for planetdannelse: Hvordan samlet støv og is seg til de første byggesteinene for planeter? Modeller må nå forklare både banene til objektene i det ytre solsystemet og den observerte mangelen på de minste objektene i denne dype undersøkelsen.

Like størrelsesfordelinger i «kalde» og «varme» grupper

TNO-er deles ofte inn etter banen deres. Dynamisk kalde objekter går gjerne i stabile, lite hellende og nesten sirkulære baner. Dynamisk varme objekter har mer forstyrrede eller spredte baner, knyttet til solsystemets senere dynamiske utvikling.

Til tross for disse ulike historiene fant undersøkelsen lignende størrelsesfordelinger blant de små objektene i begge gruppene. Det er ikke det mest opplagte utfallet dersom gruppene ble dannet under svært forskjellige forhold og deretter gjennomgikk markant ulik kollisjonsbearbeiding. Én mulig tolkning er at planetesimaldannelsen ga et nokså likt spekter av små størrelser i ulike deler av den opprinnelige skiven. 112

Fargene tyder på at overflatene ikke er «nullstilt»

Hubbles gjenfunn av 13 objekter gjorde det mulig å sammenligne farger i synlig lys og nærinfrarødt. De små TNO-ene viste ikke et sterkt blandet eller systematisk endret fargemønster. I stedet følger de de samme fargerelasjonene som større objekter i de respektive populasjonene. 113

Dette passer med to forklaringer som begge kan være sanne: Nedslag som er kraftige nok til å omforme hele overflaten, kan ha vært sjeldnere enn ventet; eller så fjerner ikke nedslagene materialene som skaper fargesignaturene like effektivt som modellene har antatt. 113

Det er særlig interessant for objekter som er blitt gravitasjonelt spredt. Slike vekselvirkninger kan endre en bane kraftig, men fargemønstrene tyder på at en flytting i solsystemet ikke nødvendigvis visker ut sporene i overflatesammensetningen. Både stabile og dynamisk opphissede TNO-er kan derfor ha bevart ledetråder til ulike fødesteder i det tidlige ytre solsystemet. 113

To doktorgradsforskere ledet de utfyllende analysene

Anastasia N. Morgan ved Northern Arizona University ledet arbeidet som kombinerte bilder fra Webb og Hubble for å undersøke farger og overflater fra synlig lys til nærinfrarødt. Marielle R. Eduardo ved University of Victoria ledet analysen av lysstyrkefordelingen, som målte fordelingen av svake objekter og den grunne helningen. 1213

Teleskopene utfylte hverandre: Webb kunne oppdage svært svake objekter i infrarødt lys, mens Hubble leverte målinger i synlig lys for en del av den samme gruppen. 112

Hva undersøkelsen ikke kan avgjøre ennå

Dette er den dypeste undersøkelsen av sitt slag, men ikke en fullstendig kartlegging av det ytre solsystemet. Konklusjonene bygger på 27 Webb-oppdagelser, 13 gjenfunn i synlig lys og et himmelområde på bare rundt 0,05 kvadratgrader. Utvalgseffekter i oppdagelse og gjenfunn, korte tidsserier for banene og usikkerhet i omregningen fra lysstyrke til diameter – som avhenger av antatt reflektivitet – begrenser hvor sikkert resultatene kan generaliseres. 112

Studien kan derfor ennå ikke fastslå en endelig størrelsesfordeling for hele solsystemet eller velge én bestemt mekanisme for planetesimaldannelse. Området på 10–40 kilometer er dessuten bare en liten del av den langt større TNO-bestanden. 112

Et mulig fossilarkiv fra den protoplanetariske skiven

Den viktigste betydningen er at objekter som tidligere i stor grad måtte beskrives gjennom ekstrapolasjoner, nå blir direkte observasjonsdata. Antallet, banene og fargene deres legger sammen føringer på hvordan den ytre protoplanetariske skiven dannet planetesimaler – og hvor mye senere kollisjoner og planetvandring endret dem. 112

Større felles undersøkelser med Webb og Hubble kan vise om den grunne fordelingen av små objekter og de bevarte fargerelasjonene går igjen i flere deler av Kuiperbeltet. Hvis de gjør det, kan disse små TNO-ene bli noen av de mest robuste fysiske fossilene vi har fra solsystemets aller tidligste epoke. 112