«Уэбб» и «Хаббл» нашли крошечные миры за Нептуном, сохранившие следы рождения

Самые маленькие из известных тел за орбитой Нептуна оказались важнее, чем можно было ожидать от нескольких тусклых точек на снимках. Совместный обзор телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» выявил меньше крошечных транснептуновых объектов (ТНО), чем ожидалось по распространённым моделям эволюции пояса Койпера. При этом их окраска напоминает окраску более крупных тел из тех же орбитальных групп. Это означает, что малые ледяные тела могут хранить сведения о том, как в раннем внешнем диске Солнечной системы рождались планетезимали — зачатки планет. 112

Что увидели телескопы

Камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam на «Уэббе» обнаружила 27 ранее неизвестных тусклых ТНО на участке площадью примерно 0,05 квадратного градуса. Размеры объектов оцениваются менее чем в 40 км; один из них имеет поперечник около 10 км. «Хаббл» повторно зарегистрировал 13 из этих объектов в видимом свете, что позволило сопоставить данные от видимого диапазона до ближнего инфракрасного. 112

ТНО обращаются вокруг Солнца дальше Нептуна. Даже крупнейшие из них чрезвычайно тусклы, а найденные малые тела на изображениях выглядят лишь движущимися световыми точками.

Для слабого конца функции светимости исследователи получили наклон около 0,29. Число объектов действительно растёт по мере перехода к более тусклым — и в среднем меньшим — телам, но гораздо медленнее, чем следовало из простого продолжения распределений, известных для крупных объектов. Иными словами, малых ТНО обнаружилось меньше, чем предполагали несколько сценариев формирования и последующей эволюции пояса Койпера. 12

Почему дефицит малых тел меняет картину

Если бы в поясе Койпера длительное время шло особенно интенсивное столкновительное дробление, оно должно было бы производить множество мелких обломков. Неглубокий рост числа слабых объектов сам по себе не указывает на единственный механизм, но ставит под сомнение простую версию, в которой нынешние малые ТНО — преимущественно перемолотые остатки более крупных тел. 12

Возможны несколько не исключающих друг друга объяснений:

• столкновительная эрозия была слабее или длилась меньше, чем предполагают некоторые модели;
• доступные нынешним наблюдениям малые ТНО не являются главным образом осколками столкновений;
• их численность сохраняет отпечаток исходного процесса образования планетезималей в ранней Солнечной системе. 12

Поэтому модели теперь должны объяснять не только орбиты объектов внешней Солнечной системы, но и сравнительную редкость самых маленьких тел в столь глубокой выборке.

«Холодные» и «горячие» группы оказались похожи

ТНО часто разделяют по характеру орбит. Динамически холодные объекты движутся по сравнительно устойчивым, близким к круговым орбитам с небольшим наклонением. У динамически горячих объектов орбиты сильнее возбуждены или рассеяны: на них повлияла последующая динамическая перестройка Солнечной системы.

Несмотря на столь разную орбитальную историю, распределения размеров малых тел в холодной и горячей популяциях оказались похожими. Это не самый очевидный результат, если предполагать, что группы сформировались в резко разных условиях и затем пережили очень разную столкновительную обработку. Одна из интерпретаций состоит в том, что сам процесс образования планетезималей создавал сходный спектр малых тел в разных областях первичного диска. 112

Цвета поверхностей сохранили древнюю информацию

Наблюдения «Хаббла» в видимом свете для 13 объектов позволили сравнить их видимые и ближние инфракрасные цвета. Малые ТНО не показали сильно перемешанного или систематически изменённого набора цветов: они следуют тем же зависимостям, характерным для более крупных тел соответствующих популяций. 113

Это согласуется с двумя вариантами: либо удары, способные глобально обновлять поверхность таких тел, случались реже ожидаемого, либо столкновения не так эффективно уничтожают вещества, задающие цветовые признаки поверхности. 113

Особенно важен вывод для рассеянных объектов. Гравитационные взаимодействия способны радикально изменить орбиту, но, судя по цветовым соотношениям, перемещение не обязательно стирает следы поверхностного состава. И стабильные, и динамически возбуждённые ТНО могут сохранять признаки разных областей своего рождения в ранней внешней Солнечной системе. 113

Кто выполнил анализ

Два связанных исследования возглавили аспирантки. Анастасия Н. Морган из Университета Северной Аризоны руководила работой, объединившей изображения «Уэбба» и «Хаббла» для изучения цветов и поверхностей малых ТНО в диапазоне от видимого света до ближнего инфракрасного. Мариэль Р. Эдуардо из Университета Виктории возглавила анализ функции светимости — распределения объектов по яркости, которое выявило пологий наклон и дефицит малых тел. 1213

Сочетание обсерваторий было принципиально важно: «Уэбб» позволил увидеть исключительно слабые объекты в инфракрасном диапазоне, а «Хаббл» добавил измерения в видимом свете для части той же выборки. 112

Чего исследование пока не доказывает

Это рекордно глубокий обзор, но не полная перепись объектов внешней Солнечной системы. Он охватывает лишь около 0,05 квадратного градуса, включает 27 обнаружений «Уэбба» и 13 объектов, повторно найденных «Хабблом». На обобщение влияют эффекты отбора при обнаружении и повторном поиске, короткие дуги наблюдений орбит, а также неопределённость размеров: яркость переводят в диаметр с допущениями об отражающей способности поверхности. 112

Поэтому работа пока не устанавливает окончательное распределение размеров ТНО во всей Солнечной системе и не позволяет однозначно выбрать один механизм образования планетезималей. Диапазон примерно 10–40 км — только небольшой фрагмент гораздо более обширной популяции. 112

Малые ТНО как «ископаемые» раннего диска

Главный итог в том, что тела, о которых раньше во многом судили по экстраполяциям, становятся прямым наблюдательным свидетельством. Их численность, орбиты и цвета вместе ограничивают сценарии образования планетезималей во внешнем протопланетном диске и показывают, насколько сильно поздние столкновения и миграция планет изменили этот материал. 112

Более масштабные совместные обзоры покажут, повторяются ли пологое распределение малых объектов и сохранённые цветовые закономерности в других районах пояса Койпера. Если да, эти крошечные ТНО могут оказаться особенно долговечными физическими «ископаемыми» самой ранней эпохи Солнечной системы. 112