Крихітні тіла поясу Койпера можуть бути «скам’янілостями» ранньої Сонячної системи

Найменші з відомих тіл за орбітою Нептуна починають ставити під сумнів давнє припущення про пояс Койпера. Здавалося б, мільярди років зіткнень мали роздрібнити багато його об’єктів на велику кількість малих уламків і не раз оновити їхні поверхні. Але спільний огляд космічних телескопів Hubble і James Webb показав іншу картину: надтьмяних транснептунових об’єктів виявилося менше, ніж очікували, а їхні кольори подібні до кольорів більших тіл із тих самих динамічних популяцій. Це може означати, що малі об’єкти досі несуть сліди утворення планетезималей — первісних «цеглинок» планет — у зовнішній частині протопланетного диска. 112

Що саме побачили Webb і Hubble

Камера ближнього інфрачервоного діапазону NIRCam на телескопі Webb виявила 27 раніше невідомих тьмяних транснептунових об’єктів (TNO) на ділянці неба площею приблизно 0,05 квадратного градуса. Їхній розмір оцінюють як менший за 40 км; один об’єкт, імовірно, має близько 10 км у поперечнику. Hubble зміг повторно спостерігати 13 із цих тіл у видимому світлі, доповнивши інфрачервоні дані Webb. 112

За даними Webb, нахил функції світності на тьмяному краю становить приблизно 0,29. Простими словами, зі зменшенням яскравості — а зазвичай і розміру — об’єктів стає більше, але це зростання набагато повільніше, ніж випливало з простого продовження розподілів для більших тіл. Отже, малих TNO у вибірці виявилося менше, ніж передбачали кілька сценаріїв формування та еволюції поясу Койпера. 12

Чому нестача малих тіл важлива

Тривалий період активних зіткнень мав би породжувати безліч дрібних фрагментів — так званий каскад зіткнювального подрібнення. Неглибокий розподіл тьмяних об’єктів сам по собі не визначає єдиної причини, але послаблює найпростішу версію, за якою малі TNO — це переважно подрібнений залишок більших тіл. 12

Можливі пояснення такі:

• зіткнювальна ерозія була слабшою або тривала менше, ніж припускають деякі моделі;
• найменші доступні для спостереження TNO не є переважно уламками зіткнень;
• їхня кількість зберегла відбиток первісного процесу, що збирав тверду речовину в планетезималі на ранньому етапі існування Сонячної системи. 12

Таким чином, увага зміщується від самих лише пізніших зіткнень до початкових умов формування планетезималей. Успішні моделі мають пояснити не лише орбіти тіл зовнішньої Сонячної системи, а й зафіксовану в цьому глибокому огляді відносну рідкість найменших об’єктів.

«Холодні» та «гарячі» популяції виявилися подібними за розмірами

TNO часто поділяють за характером орбіт. Динамічно холодні об’єкти рухаються відносно стабільними, мало нахиленими та близькими до кругових орбітами. Динамічно гарячі мають більш збурені або розсіяні орбіти, пов’язані з подальшою динамічною еволюцією Сонячної системи.

Попри різну історію, для малих об’єктів в обох популяціях дослідження показало подібні розподіли за розміром. Це не є очевидним результатом, якби ці групи формувалися в дуже різних умовах, а потім пережили кардинально різний рівень зіткнювальної обробки. Одне з можливих тлумачень: формування планетезималей створило загалом схожий спектр малих тіл у різних частинах первісного диска. 112

Кольори натякають на поверхні, які не були повністю оновлені

Завдяки повторним спостереженням Hubble вчені змогли порівняти видимі та ближні інфрачервоні кольори 13 об’єктів. Замість сильно перемішаного або систематично зміненого набору кольорів малі TNO демонструють ті самі залежності кольору від належності до популяції, що й більші тіла. 113

Це узгоджується з двома поясненнями, які не виключають одне одного: зіткнення, здатні глобально оновити поверхню таких тіл, могли траплятися рідше, ніж очікували; або ж удари не так ефективно стирають речовини, відповідальні за характерні кольорові ознаки поверхні. 113

Особливо важливий висновок стосується розсіяних об’єктів. Гравітаційна взаємодія може суттєво змінити орбіту тіла, проте спостережувані кольорові залежності свідчать, що таке переміщення не обов’язково стирає дані про склад його поверхні. Тому і стабільні, і динамічно збурені TNO можуть зберігати підказки про різні місця свого народження в ранній зовнішній Сонячній системі. 113

Хто виконав аналіз

Два взаємодоповнювальні дослідження очолили аспірантки. Анастасія Н. Морган із Північноаризонського університету керувала роботою, що поєднала знімки Webb і Hubble для визначення кольорів та властивостей поверхонь малих TNO у видимому й ближньому інфрачервоному діапазонах. Маріель Р. Едуардо з Університету Вікторії очолила аналіз функції світності — розподілу об’єктів за яскравістю, який показав неглибокий нахил для найтьмяніших тіл. 1213

Поєднання двох телескопів було принциповим: Webb просунув пошук до винятково тьмяних інфрачервоних джерел, а Hubble надав вимірювання у видимому світлі для частини тієї самої вибірки. 112

Чого це дослідження поки не встановлює

Це рекордно глибокий огляд, але не повний перепис зовнішньої Сонячної системи. Висновки обмежені 27 знахідками Webb, 13 відновленими у видимому світлі об’єктами та невеликою ділянкою неба. На узагальнення також впливають ефекти відбору під час виявлення й повторного спостереження, короткі дуги відстеження орбіт та невизначеність у перетворенні яскравості на діаметр, яке залежить від припущень про відбивну здатність поверхні. 112

Тож робота поки не встановлює остаточного розподілу розмірів TNO для всієї Сонячної системи й не дозволяє однозначно обрати між усіма механізмами формування планетезималей. Діапазон приблизно 10–40 км — лише одна частина значно більшої популяції транснептунових об’єктів. 112

Новий «викопний запис» зовнішнього протопланетного диска

Головне значення роботи в тому, що об’єкти, про які раніше здебільшого судили за екстраполяціями, стають прямими спостережними свідченнями. Їхня чисельність, орбіти й кольори разом обмежують моделі того, як зовнішній протопланетний диск утворював планетезималі та наскільки подальші зіткнення й міграція планет змінили ці тіла. 112

Ширші спільні огляди покажуть, чи повторюються неглибокий розподіл малих об’єктів і збережені кольорові закономірності в інших частинах поясу Койпера. Якщо так, крихітні TNO можуть виявитися напрочуд довговічними фізичними «скам’янілостями» найдавнішої епохи Сонячної системи. 112