Astronomen die de James Webb-ruimtetelescoop gebruikten om drie dwergplaneten in de Kuipergordel te observeren, ontdekten lichte koolwaterstoffen en complexe moleculen. Deze ontdekkingen vergroten ons begrip van objecten in de buitenste delen van het zonnestelsel en benadrukken de mogelijkheden van de James Webb-ruimtetelescoop voor ruimteverkenning.
In de visie van deze kunstenaar bevindt het nieuw ontdekte planeetachtige object genaamd Sedna zich aan de buitenrand van het bekende zonnestelsel. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech
De Kuipergordel is een uitgestrekt gebied aan de rand van het zonnestelsel, de thuisbasis van talloze ijzige objecten en een schat aan wetenschappelijke ontdekkingen. De detectie en karakterisering van Kuipergordelobjecten (KBO's), ook wel Trans-Neptuniaanse objecten (TNO's) genoemd, heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de geschiedenis van het zonnestelsel. De opstelling van de Kuipergordelobjecten is een indicator van de zwaartekrachtsstromen die het zonnestelsel vormgeven en de dynamische geschiedenis van planetaire migratie onthullen. Sinds het einde van de 20e eeuw willen wetenschappers KBO's van dichterbij bekijken om meer te weten te komen over hun banen en samenstelling.
Waarnemingen vanuit de James Webb-ruimtetelescoop
Het bestuderen van objecten buiten ons zonnestelsel is een van de vele doelen van de James Webb Space Telescope (JWST). Met behulp van gegevens van de Near Infrared Spectrometer (NIRSpec) van de Webb Telescope heeft een internationaal team van astronomen drie dwergplaneten in de Kuipergordel waargenomen: Sedna, Gonggong en Quaoar. Deze waarnemingen brachten een aantal interessante verschijnselen aan het licht in hun respectievelijke banen en samenstellingen, waaronder lichte koolwaterstoffen en complexe organische moleculen waarvan wordt aangenomen dat ze producten zijn van methaanbestraling.
Het onderzoek werd geleid door Joshua Emery, hoogleraar astronomie en planetaire wetenschappen aan de Northern Arizona University. Onderzoekers van NASA's Goddard Space Flight Center (GSFC), het Institut d'Astrofysique Spatiale van Paris-Saclay University, het Pinhead Institute, het Florida Space Institute (University of Central Florida), het Lowell Observatory, het Southwest Research Institute (SwRI), het Space Telescope Science Institute (STScI), American University en Cornell University namen ook deel aan het onderzoek. Een voordruk van hun artikel is online gepubliceerd en wordt beoordeeld door Icarus.
Sinds de laatste vlucht langs het Kuipergordelobject Arrokoth heeft de New Horizons-missie Kuipergordelobjecten onderzocht en heliosfeer- en astrofysische waarnemingen uitgevoerd. Bron: NASA/JHUAPL/SwRI//RomanTkachenko
Geschiedenis van de verkenning van de Kuipergordel
Ondanks grote vooruitgang op het gebied van astronomie en robotdetectoren blijft onze kennis van de Trans-Neptunus-regio en de Kuipergordel beperkt. Tot nu toe is de enige missie om Uranus, Neptunus en hun belangrijkste manen te bestuderen de Voyager 2-missie, die respectievelijk in 1986 en 1989 langs deze ijsreuzen vloog. Bovendien was New Horizons het eerste ruimtevaartuig dat Pluto en zijn manen bestudeerde (juli 2015) en het enige ruimtevaartuig dat een object in de Kuipergordel tegenkwam. Het vloog op 1 januari 2019 langs het Kuiper-object genaamd "Arokos".
Wat astronomen van JWST verwachten
Dit is een van de vele redenen waarom astronomen reikhalzend uitkijken naar de lancering van JWST. Naast het bestuderen van exoplaneten en de vroegste sterrenstelsels in het universum, worden de krachtige infraroodbeeldvormingsmogelijkheden ook naar onze achtertuin gestuurd, waardoor nieuwe beelden van Mars, Jupiter en hun grootste manen worden onthuld. In het onderzoek verwezen Emery en zijn collega's naar nabij-infraroodgegevens verkregen door Webb van drie planeten in de Kuipergordel: Sedna, Gonggong en Quaoar. Deze objecten hebben een doorsnede van ongeveer 1.000 kilometer (620 mijl) en vallen in de categorie dwergplaneten van de Internationale Astronomische Unie (IAU).
Inzichten over dwergplaneten
Astronomen zijn van bijzonder belang in deze objecten vanwege hun grootte, baan en samenstelling. Andere trans-Neptuniaanse objecten, zoals Pluto, Eris, Haumea, enz., behouden allemaal vluchtig ijs (stikstof, methaan, enz.) op hun oppervlak. De enige uitzondering is Haumea, dat zijn vluchtige materiaal (blijkbaar) verloor bij een gigantische impact. Astronomen willen daarom observeren of soortgelijke vluchtige stoffen aanwezig zijn op de oppervlakken van Sedna, Gonggong en Quiall:
"Eerder werk suggereert van wel. Hoewel ze ongeveer even groot zijn, zijn hun banen heel verschillend. Sedna is een binnenste Oortwolk-object, met een perihelium van 76 AU en een aphelium van bijna 1000 AU; de baan van Gonggong is ook erg elliptisch, met een perihelium van 33 AU en een aphelium van ongeveer 100 AU; "Quior's baan is relatief cirkelvormig, bijna 43 AU. Deze banen stellen het object bloot aan verschillende temperatuurregimes en verschillende bestralingsomgevingen (Sedna brengt bijvoorbeeld het grootste deel van zijn tijd buiten de heliosfeer van de zon door). We wilden bestuderen hoe deze verschillende banen het oppervlak van het object zouden beïnvloeden."
Een afbeelding van een van de twee PRISM-rasterobservaties van Sedna, Gonggong en Quiall. Bron: Emery, J.P. et al. (2023)
Met behulp van gegevens van de Webb Near Infrared Telescope (NIRSpec) observeerde het team de drie objecten in prismamodus met lage resolutie, met golflengten variërend van 0,7 micron tot 5,2 micron, waardoor ze allemaal in het nabij-infraroodspectrum terechtkwamen. Daarnaast hebben ze aanvullende waarnemingen gedaan van Quaoar bij golflengten van 0,97 tot 3,16 micron met behulp van een rooster met gemiddelde resolutie, dat tien keer de spectrale resolutie biedt. De resulterende spectra onthulden enkele interessante dingen over de samenstelling van deze stofdeeltjes en oppervlakken, zei Emery:
"We vonden overvloedig ethaan (C2H6) op alle drie de objecten, waarbij Sedna de meest prominente was. Sedna toont ook acetyleen (C2H2) en ethyleen (C2H4). De overvloed is baanafhankelijk (de meeste op Sedna, minder op Gongong, het minst op Quiol), wat correleert met de relatieve temperatuur en bestralingsringen. "Deze moleculen zijn de directe bestralingsproducten van methaan (CH4). Als ethaan (of andere stoffen) langere tijd aan het oppervlak aanwezig zijn, zullen ze onder bestraling worden omgezet in complexere moleculen. Omdat we ze nog steeds kunnen zien, vermoeden we dat methaan (CH4) regelmatig aan het oppervlak moet worden aangevuld."
Deze bevindingen komen overeen met bevindingen uit twee recente onderzoeken onder leiding van Dr. Will Grundy, een astronoom bij het Lowell Observatorium en mede-onderzoeker van NASA's New Horizons-missie, en Chris Glein, een planetaire wetenschapper en geochemicus aan de Zwitserse Academie van Wetenschappen. In beide onderzoeken maten Grandi, Glien en hun collega's de deuterium/waterstof (D/H) verhouding in methaan op Eris en Makmak en concludeerden dat het methaan niet ongerept was. In plaats daarvan geloven ze dat deze verhoudingen het resultaat zijn van het transport van methaan naar de oppervlakte, nadat het daarin is verwerkt.
"We denken dat hetzelfde geldt voor Sedna, Gonggong en Quiall," zei Emery. "We ontdekten ook dat de spectra van Sedna, Gongong en Quiall heel anders zijn dan die van de kleinere KBO's. Tijdens de twee meest recente bijeenkomsten lieten JWST-gegevens zien dat de kleinere KBO's in drie groepen vielen, die er geen enkele op deze drie leken, een resultaat dat consistent is met het feit dat onze drie grotere objecten een verschillende geothermische geschiedenis hebben."
De acht grootste NEO's vergeleken met de aarde (allemaal op schaal). Bron afbeelding: NASA/Lexicon
Impact van onderzoeksresultaten
Deze bevindingen kunnen grote implicaties hebben voor de studie van KBO's, TNO's en andere objecten buiten het zonnestelsel. Dit omvat nieuwe inzichten in de vorming van objecten in planetaire systemen voorbij de vrieslijn, de grens waar vluchtige verbindingen vastvriezen. In ons zonnestelsel komt het trans-Neptuniaanse gebied overeen met de stikstoflijn, waar objecten grote hoeveelheden vluchtige materialen met extreem lage vriespunten (d.w.z. stikstof, methaan en ammoniak) zouden vasthouden. Emery zei dat de bevindingen ook aantonen welk type evolutionair proces objecten in deze regio ondergaan:
"De belangrijkste impact zou kunnen zijn om de grootte van KBO's te vinden waarbij ze warm genoeg zijn geworden om interne opwerking en zelfs differentiatie van het oorspronkelijke ijs mogelijk te maken. We kunnen deze spectra ook gebruiken om de bestralingsverwerking van ijs op het buitenoppervlak van het zonnestelsel beter te begrijpen. Toekomstige studies zullen ook in meer detail de vluchtige stabiliteit en het potentieel van de atmosfeer van deze objecten in elk deel van hun banen kunnen observeren."
De resultaten van dit onderzoek tonen ook de capaciteiten van JWST aan, dat zijn waarde al vele malen heeft bewezen sinds het begin vorig jaar operationeel werd. Ze herinneren ons er ook aan dat Webb naast nieuwe inzichten en doorbraken in verre planeten, sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het universum ook dingen kan onthullen over ons kleine hoekje van het universum.
"De JWST-gegevens zijn fantastisch", voegde Emery eraan toe. "Ze stellen ons in staat een spectrum te verkrijgen met langere golflengten dan we op de grond kunnen krijgen, waardoor we dit ijs kunnen detecteren." Bij het doen van waarnemingen in een nieuw golflengtebereik kan de kwaliteit van de initiële gegevens vaak slecht zijn. JWST opent niet alleen een nieuw golflengtebereik, maar biedt ook gegevens van hoge kwaliteit die gevoelig zijn voor een reeks materialen op het buitenoppervlak van het zonnestelsel. "
Aangepast van een artikel dat oorspronkelijk op Universe Today werd gepubliceerd.