Małe światy poza Neptunem nie wyglądają na kosmiczny gruz

Najmniejsze znane światy krążące poza Neptunem zaczynają podważać utrwalone wyobrażenie o pasie Kuipera. Zgodnie z prostym scenariuszem liczne zderzenia powinny przez miliardy lat rozdrabniać większe ciała na mnóstwo małych fragmentów i stale odnawiać ich powierzchnie. Wspólny przegląd wykonany przez teleskopy Hubble’a i Jamesa Webba pokazał jednak mniej wyjątkowo słabych obiektów transneptunowych (TNO) niż oczekiwano. Ich kolory są zarazem podobne do kolorów większych przedstawicieli tych samych populacji orbitalnych. To może oznaczać, że niewielkie ciała zachowały ślady formowania się planetozymali w pierwotnym zewnętrznym dysku Układu Słonecznego. 112

Co wykryły teleskopy

Kamera NIRCam teleskopu Webba odkryła 27 wcześniej nieznanych, bardzo słabych TNO na fragmencie nieba o powierzchni około 0,05 stopnia kwadratowego. Są to obiekty o średnicach mniejszych niż około 40 km, w tym jeden szacowany na około 10 km. Hubble odnalazł w świetle widzialnym 13 obiektów wykrytych przez Webba, co pozwoliło połączyć pomiary od zakresu widzialnego po bliską podczerwień. 112

Dla najsłabszej części próbki wyznaczono nachylenie funkcji jasności na poziomie około 0,29. Mówiąc prościej: wraz ze spadkiem jasności, a zwykle także rozmiaru obiektów, ich liczba wprawdzie rośnie, ale znacznie wolniej, niż wynikałoby to z prostego przedłużenia trendów obserwowanych dla większych ciał. W badanym zakresie znaleziono więc mniej małych TNO, niż przewidywało kilka modeli powstawania planet i ewolucji pasa Kuipera. 12

Dlaczego niedobór małych ciał jest ważny

Długotrwała, intensywna seria zderzeń powinna tworzyć wielką liczbę drobnych odłamków. Płaski wzrost liczby słabych obiektów nie wskazuje sam w sobie jednego wyjaśnienia, ale osłabia najprostszy obraz, w którym małe TNO są głównie pyłem i gruzem po rozbiciu większych ciał. 12

Możliwe są co najmniej trzy scenariusze:

• erozja zderzeniowa była mniej skuteczna albo trwała krócej, niż zakładają niektóre modele;
• najmniejsze obecnie dostępne obserwacyjnie TNO nie są przede wszystkim odłamkami po kolizjach;
• ich liczebność zachowała informację o początkowym procesie łączenia materii w planetozymale — zalążki planet. 12

W rezultacie uwaga przesuwa się z samych późniejszych zderzeń ku warunkom, w których planetozymale powstawały w młodym Układzie Słonecznym. Model musi teraz wyjaśniać nie tylko orbity ciał zewnętrznej części Układu, lecz także zaskakująco małą liczbę drobnych obiektów w tym bardzo głębokim przeglądzie.

„Zimne” i „gorące” populacje mają podobny rozkład rozmiarów

TNO dzieli się często według zachowania orbitalnego. Obiekty dynamicznie „zimne” poruszają się po względnie stabilnych, mało nachylonych i niemal kołowych orbitach. Populacja „gorąca” ma bardziej wzbudzone lub rozproszone orbity, wiązane z późniejszą ewolucją dynamiczną Układu Słonecznego.

Mimo odmiennych historii obie populacje wykazały podobne rozkłady rozmiarów małych obiektów. Nie jest to oczywisty wynik, jeśli grupy te powstały w wyraźnie różnych środowiskach, a później doświadczały bardzo odmiennego przetwarzania przez zderzenia. Jedna z interpretacji zakłada, że proces formowania planetozymali wytworzył zbliżone spektrum małych ciał w różnych częściach pierwotnego dysku. 112

Kolory wskazują na niezbyt mocno „zresetowane” powierzchnie

Obserwacje Hubble’a umożliwiły porównanie kolorów w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni dla 13 obiektów. Małe TNO nie tworzą silnie wymieszanej ani systematycznie zmienionej grupy barw. Zamiast tego wpisują się w zależności kolorystyczne znane dla większych obiektów należących do tych samych populacji. 113

Wynik jest zgodny z dwoma niewykluczającymi się wyjaśnieniami: zderzenia zdolne odnowić całą powierzchnię tych ciał mogły zdarzać się rzadziej, niż oczekiwano, albo same uderzenia nie usuwają tak skutecznie materiałów odpowiedzialnych za charakterystyczne barwy, jak przewidywały modele. 113

Ma to szczególne znaczenie dla obiektów rozproszonych dynamicznie. Oddziaływania grawitacyjne mogły znacząco zmienić ich orbity, lecz obserwowane relacje kolorów wskazują, że taka kosmiczna przeprowadzka nie musi zacierać śladu składu powierzchni. Zarówno stabilne TNO, jak i ciała przemieszczone przez oddziaływania z planetami, mogą zatem nadal nosić wskazówki dotyczące różnych miejsc narodzin w młodym Układzie Słonecznym. 113

Dwa uzupełniające się badania

Powiązane analizy prowadziły dwie doktorantki. Anastasia N. Morgan z Northern Arizona University kierowała pracą łączącą zdjęcia z Webba i Hubble’a, której celem było scharakteryzowanie kolorów oraz powierzchni małych TNO od światła widzialnego po bliską podczerwień. Marielle R. Eduardo z University of Victoria prowadziła analizę funkcji jasności, czyli rozkładu liczby obiektów według ich jasności; to ona dostarczyła wynik dotyczący płytkiego nachylenia dla słabych ciał. 1213

Połączenie możliwości obu obserwatoriów było kluczowe: Webb dotarł do wyjątkowo słabych detekcji w podczerwieni, a Hubble zapewnił pomiary w świetle widzialnym dla części tej samej próbki. 112

Czego badanie jeszcze nie rozstrzyga

To rekordowo głęboki przegląd, ale nie pełny spis obiektów zewnętrznego Układu Słonecznego. Wnioski opierają się na 27 detekcjach Webba, 13 odzyskanych pomiarach w świetle widzialnym i bardzo małym obszarze nieba. Znaczenie mają też efekty selekcji przy wykrywaniu i odzyskiwaniu obiektów, krótkie łuki obserwowanych orbit oraz niepewność przy przeliczaniu jasności na średnicę, zależna od przyjętego albedo, czyli zdolności powierzchni do odbijania światła. 112

Badanie nie wyznacza jeszcze ostatecznego, obowiązującego dla całego Układu Słonecznego rozkładu rozmiarów ani nie pozwala jednoznacznie wybrać spośród wszystkich mechanizmów powstawania planetozymali. Skala około 10–40 km obejmuje też tylko niewielki wycinek znacznie liczniejszej populacji TNO. 112

Fizyczne skamieniałości pierwotnego dysku

Najważniejsze jest to, że obiekty dotychczas opisywane przede wszystkim przez ekstrapolacje stają się bezpośrednim materiałem obserwacyjnym. Ich liczebność, orbity i kolory wspólnie ograniczają możliwe scenariusze tego, jak zewnętrzny dysk protoplanetarny wytworzył planetozymale oraz w jakim stopniu późniejsze zderzenia i migracja planet zmieniły tę pierwotną populację. 112

Większe wspólne przeglądy pokażą, czy płytki rozkład małych obiektów i zachowane relacje kolorystyczne powtarzają się w kolejnych rejonach pasa Kuipera. Jeśli tak, te słabe, lodowe światy mogą okazać się wyjątkowo trwałymi fizycznymi skamieniałościami z najwcześniejszej epoki Układu Słonecznego. 112