Små världar bortom Neptunus kan bära kvar spår från solsystemets födelse

De minsta kända världarna bortom Neptunus börjar utmana en etablerad bild av Kuiperbältet. Enligt den bilden borde långvariga kollisioner ha malt ned många större kroppar till ett stort antal små fragment och gång på gång förnyat deras ytor. Men en gemensam undersökning med rymdteleskopen Hubble och James Webb fann i stället färre extremt ljussvaga transneptunska objekt, TNO:er, än väntat. Dessutom har de små objekt färger som liknar dem hos större kroppar i sina respektive banpopulationer. Tillsammans pekar resultaten mot att de kan ha bevarat information från planetesimalernas bildning i det ursprungliga yttre solsystemet. 112

27 nya objekt i ett mycket litet himmelsområde

Webbs Near-Infrared Camera, NIRCam, upptäckte 27 tidigare okända och svaga TNO:er i omkring 0,05 kvadratgrader av himlen. Objekten uppges vara mindre än cirka 40 kilometer i diameter, inklusive ett som uppskattas till ungefär 10 kilometer. Hubble återfann 13 av Webbs upptäckter i synligt ljus, vilket gav kombinerade mätningar från synliga våglängder till nära infrarött ljus. 112

Webbs prov gav en lutning på ungefär 0,29 för ljusstyrkefunktionen i den svaga änden. Enklare uttryckt: antalet objekt ökar mot svagare – och i allmänhet mindre – objekt, men ökningen är långsammare än man skulle vänta sig om man drog ut trenden från större kroppar. Undersökningen hittade därför färre små objekt än flera scenarier för planetbildning och Kuiperbältets utveckling förutspår. 12

Färre små fragment än väntat

Om en intensiv kollisionskedja hade pågått länge borde den ha skapat stora mängder små spillror. Den flacka fördelningen av svaga objekt pekar inte ensam ut en enda förklaring, men den försvagar den enklaste tolkningen: att de små TNO:erna främst är pulveriserade rester av större objekt. 12

Forskarna behöver därför överväga flera möjligheter:

• Kollisionernas nedbrytande effekt kan ha varit svagare eller pågått under kortare tid än vissa modeller antar.
• De minsta TNO:er som nu går att observera kanske inte främst består av kollisionsfragment.
• Deras antal kan fortfarande bära ett avtryck av den process som skapade planetesimaler – de tidiga byggstenarna till planeter – i solsystemets ungdom. 12

Det flyttar fokus från enbart senare kollisioner till de ursprungliga förutsättningarna för planetesimalbildning. En fungerande modell måste nu förklara både banorna i det yttre solsystemet och den observerade bristen på de allra minsta kropparna i detta djupa urval.

Liknande storleksfördelning i ”kalla” och ”heta” populationer

TNO:er delas ofta in efter sina banor. Dynamiskt kalla objekt rör sig vanligen i relativt stabila, nästan cirkulära banor med låg lutning. Dynamiskt heta objekt har mer upphetsade eller störda banor, ofta kopplade till solsystemets senare dynamiska utveckling.

Trots dessa olika banhistorier fann undersökningen liknande storleksfördelningar bland små objekt i de kalla och heta populationerna. Det är inte ett självklart resultat om grupperna bildades under mycket olika förhållanden och sedan utsattes för tydligt olika kollisionserfarenheter. En möjlig tolkning är att planetesimalbildningen skapade ett i stort sett likartat spektrum av små kroppar i skilda delar av den ursprungliga skivan av gas och stoft. 112

Färgerna tyder på att ytorna inte har nollställts

Hubbles återupptäckter gjorde det möjligt att jämföra synliga och nära infraröda färger för 13 av objekten. De små TNO:erna visade inte en kraftigt blandad eller systematiskt förändrad uppsättning färger. I stället följer de samma färgsamband som större objekt i respektive population. 113

Det stämmer med två förklaringar som kan gälla samtidigt: nedslag som kan förändra hela ytan kan ha varit mer sällsynta än väntat, eller så raderar nedslag inte de material som ger upphov till färgsignaturerna lika effektivt som modellerna antar. 113

Det är särskilt intressant för objekt som har spritts till nya banor. Gravitationella möten kan förändra en kropps bana kraftigt, men färgsambanden antyder att en sådan omplacering inte nödvändigtvis raderar spåren av ytans sammansättning. Både stabila och dynamiskt störda TNO:er kan alltså behålla ledtrådar om skilda födelsemiljöer i det tidiga yttre solsystemet. 113

Två doktorander ledde de kompletterande analyserna

De två sammanlänkade analyserna leddes av doktoranderna Anastasia N. Morgan vid Northern Arizona University och Marielle R. Eduardo vid University of Victoria. Morgan ledde arbetet som kombinerade Webb- och Hubblebilder för att studera de små TNO:ernas färger från synligt ljus till nära infrarött och därmed deras ytegenskaper. Eduardo ledde analysen av ljusstyrkefunktionen, alltså fördelningen av objektens ljusstyrkor, som gav den flacka lutningen för de svagaste objekten. 1213

Kombinationen av teleskop var central: Webb kunde nå exceptionellt svaga upptäckter i infrarött, medan Hubble gav mätningar i synligt ljus för en del av samma objekt. 112

Begränsningarna är viktiga

Undersökningen är den djupaste i sitt slag, men den är inte en fullständig inventering av det yttre solsystemet. Slutsatserna bygger på 27 Webb-upptäckter, 13 återfynd i synligt ljus och ett himmelsområde på bara omkring 0,05 kvadratgrader. Urvalseffekter i upptäckt och återfynd, korta tidsserier för banbestämning och osäkerheter i omvandlingen från ljusstyrka till diameter – som beror på antagen reflektivitet – begränsar hur säkert resultaten kan generaliseras. 112

Studien kan därför ännu inte slå fast en slutgiltig storleksfördelning för hela solsystemet eller entydigt välja mellan alla mekanismer för planetesimalbildning. Skalan 10–40 kilometer är dessutom bara ett begränsat intervall inom den mycket större TNO-populationen. 112

Ett möjligt fossilarkiv från den ursprungliga protoplanetära skivan

Den stora betydelsen är att objekt som tidigare främst har studerats genom extrapolering nu blir direkt observerbara. Deras antal, banor och färger sätter tillsammans gränser för hur den yttre protoplanetära skivan skapade planetesimaler – och för hur mycket kollisioner och planeternas migration senare förändrade dem. 112

Större gemensamma undersökningar kan visa om den flacka fördelningen av små objekt och de bevarade färgsambanden återkommer i fler delar av Kuiperbältet. Om mönstret består kan dessa små, avlägsna kroppar visa sig vara ovanligt tåliga fysiska fossil från solsystemets allra tidigaste epok. 112