Utilizando el Telescopio espacial James WebbLos astrónomos observaron tres planetas enanos en el cinturón de Kuiper, descubriendo hidrocarburos ligeros y moléculas complejas. Estos descubrimientos mejoran nuestra comprensión de los objetos en el Sistema Solar exterior y resaltan las capacidades de JWST en la exploración espacial.

oh cinturón de Kuiper, la vasta región en el borde de nuestro Sistema Solar poblada por innumerables objetos helados, es un tesoro escondido de descubrimientos científicos. La detección y caracterización de Objetos del cinturón de Kuiper (KBO), a veces llamados Objetos transneptunianos (TNO), condujo a una nueva comprensión de la historia del Sistema Solar. La disposición de los KBO es un indicador de las corrientes gravitacionales que han dado forma al Sistema Solar y revelan una historia dinámica de migraciones planetarias. Desde finales del siglo XX, los científicos han estado ansiosos por observar más de cerca los KBO para aprender más sobre sus órbitas y composición.

Observaciones desde el telescopio espacial James Webb

El estudio de los cuerpos del Sistema Solar exterior es uno de los muchos objetivos del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Usando datos obtenidos por Webb’s Espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec), un equipo internacional de astrónomos observó tres planetas enanos en el Cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estas observaciones revelaron varias cosas interesantes sobre sus respectivas órbitas y composición, incluidos hidrocarburos ligeros y moléculas orgánicas complejas que se cree que son productos de la irradiación de metano.

La investigación fue dirigida por Joshua Emery, profesor de astronomía y ciencias planetarias en la Universidad del Norte de Arizona. Lo acompañaron investigadores de NASACentro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC), el Instituto de Astrofísica Espacial (Universidad París-Saclay), la Instituto Pinheadoh Instituto Espacial de Florida (Universidad de Florida Central), la Observatorio Lowelloh Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI), el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI), Universidad Americana. y la Universidad de Cornell. Una preimpresión de su artículo apareció en línea y está siendo revisada para su publicación por Ícaro.

Desde su último sobrevuelo del objeto Arrokoth del Cinturón de Kuiper, la misión New Horizons ha explorado objetos en el Cinturón de Kuiper y realizado observaciones heliosféricas y astrofísicas. Crédito: NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

Historia de la exploración del cinturón de Kuiper

A pesar de todos los avances en astronomía y exploradores robóticos, lo que sabemos sobre la región Transneptuniana y el Cinturón de Kuiper aún es limitado. Hasta la fecha, la única misión para estudiar Urano, Neptunoy sus principales satélites fueron los Viajero 2 misión, que pasó por estos gigantes de hielo en 1986 y 1989, respectivamente. Además, el Nuevos horizontes La misión fue la primera nave espacial en estudiar. Plutón y sus satélites (en julio de 2015) y el único en encontrar un objeto en el Cinturón de Kuiper, ocurrido el 1 de enero de 2019, cuando pasó por el KBO conocido como Arrokoth.

Expectativas de los astrónomos del JWST

Ésta es una de las muchas razones por las que los astrónomos esperaban ansiosamente el lanzamiento del JWST. Además de estudiar exoplanetas y las primeras galaxias del Universo, sus potentes capacidades de obtención de imágenes infrarrojas también se han aplicado a nuestro patio trasero, revelando nuevas imágenes de Marte, Júpitery los tuyos satélites más grandes. Para su estudio, Emery y sus colegas consultaron datos del infrarrojo cercano obtenidos por Webb de tres planetoides en el cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estos cuerpos tienen alrededor de 1.000 km (620 millas) de diámetro, lo que los sitúa dentro del Designación IAU para planetas enanos.

Información sobre los planetas enanos

Como dijo Emery a Universe Today en un correo electrónico, estos cuerpos son especialmente interesantes para los astrónomos debido a su tamaño, órbitas y composiciones. Otros cuerpos transneptunianos –como Plutón, Eris, Haumea y Makemake– retuvieron hielos volátiles en sus superficies (nitrógeno, metano, etc.). La única excepción es Haumea, que perdió sus volátiles en un gran impacto (aparentemente). Como dijo Emery, querían ver si Sedna, Gonggong y Quaoar también tenían volátiles similares en sus superficies:

“El trabajo anterior ha demostrado que pueden hacerlo. Aunque todos son más o menos similares en tamaño, sus órbitas son distintas. Sedna es un objeto interno de la Nube de Oort con un perihelio de 76 AU y un afelio de casi 1000 AU, Gonggong también está en una órbita muy elíptica, con un perihelio de 33 AU y un afelio de ~100 AU, y Quaoar está en una órbita relativamente circular cercana. a 43 UA. UA. Estas órbitas sitúan los cuerpos en diferentes regímenes de temperatura y diferentes entornos de irradiación (Sedna, por ejemplo, pasa la mayor parte de su tiempo fuera de la heliosfera del Sol). Queríamos investigar cómo estas diferentes órbitas podrían afectar a las superficies. También hay otros hielos interesantes y compuestos orgánicos complejos en las superficies”.

Imágenes de una de las dos observaciones PRISM de Sedna, Gonggong y Quaoar. Crédito: Emery, JP et al. (2023)

Utilizando datos del instrumento NIRSpec de Webb, el equipo observó los tres cuerpos en modo prismático de baja resolución en longitudes de onda que oscilaban entre 0,7 y 5,2 micrómetros (μm), colocándolos a todos en el espectro del infrarrojo cercano. Se realizaron observaciones adicionales en Quaoar de 0,97 a 3,16 μm utilizando rejillas de resolución media con diez veces la resolución espectral. Los espectros resultantes revelaron algunas cosas interesantes sobre estos TNO y las composiciones de la superficie, dijo Emery:

“Encontramos abundante etano (C2H6) en los tres cuerpos, especialmente en Sedna. Sedna también muestra acetileno (C2H2) y etileno (C2H4). Las abundancias se correlacionan con la órbita (más en Sedna, menos en Gonggong, menos en Quaoar), lo que es consistente con las temperaturas relativas y los ambientes de irradiación. Estas moléculas son productos de la irradiación directa de metano (CH4). Si el etano (u otros) hubieran estado en las superficies durante mucho tiempo, se habrían convertido mediante irradiación en moléculas aún más complejas. Como todavía los vemos, sospechamos que el metano (CH4) debe reponerse en las superficies con bastante regularidad”.

Estos hallazgos son consistentes con los presentados en un par de estudios recientes dirigidos por el Dr. Will Grundy, astrónomo del Observatorio Lowell y co-investigador del Observatorio de la NASA. Nuevos horizontes misión, y Chris Glein, científico planetario y geoquímico de SwRI. Para ambos estudios, Grundy, Glien y sus colegas midieron las proporciones de deuterio a hidrógeno (D/H) en el metano en Eris y Makemake y concluyeron que el metano no era primordial. En cambio, argumentan que las proporciones resultan del metano que se procesa en el interior y se entrega a la superficie.

«Sugerimos que lo mismo puede ser cierto para Sedna, Gonggong y Quaoar», dijo Emery. “También vemos que los espectros de Sedna, Gonggong y Quaoar son distintos de los de los KBO más pequeños. Hubo conversaciones en dos conferencias recientes que mostraron datos JWST de KBO más pequeños agrupados en tres grupos, ninguno de los cuales se parece a Sedna, Gonggong y Quaoar. Este resultado es consistente con que nuestros tres cuerpos más grandes tengan una historia geotérmica diferente”.

Comparación entre los ocho TNO más grandes con la Tierra (todos a escala). Crédito: NASA/Léxico

Implicaciones de los hallazgos

Estos hallazgos podrían tener implicaciones significativas para el estudio de KBO, TNO y otros objetos en el Sistema Solar exterior. Esto incluye nuevos conocimientos sobre la formación de objetos más allá de la Línea de Hielo en los sistemas planetarios, que se refiere a la línea más allá de la cual se congelarán los compuestos volátiles. En nuestro Sistema Solar, la región Transneptuniana corresponde a la línea del nitrógeno, donde los cuerpos retendrán grandes cantidades de volátiles con puntos de congelación muy bajos (es decir, nitrógeno, metano y amoníaco). Estos hallazgos, dijo Emery, también demuestran qué tipo de procesos evolutivos están funcionando en los cuerpos de esta región:

“La principal implicación puede ser encontrar el tamaño al cual los KBO se calentaron lo suficiente para el reprocesamiento interior de los hielos primordiales, tal vez incluso para la diferenciación. También deberíamos poder utilizar estos espectros para comprender mejor el procesamiento de la radiación de los hielos superficiales en el Sistema Solar exterior. Y futuros estudios también podrán analizar con más detalle la estabilidad volátil y la posibilidad de atmósferas en estos cuerpos en cualquier lugar de sus órbitas”.

Los resultados de este estudio también muestran las capacidades del JWST, que ha demostrado su eficacia muchas veces desde que entró en funcionamiento a principios del año pasado. También nos recuerdan que, además de permitir nuevas vistas y descubrimientos de planetas distantes, galaxias y la estructura a gran escala del Universo, Webb también puede revelar cosas sobre nuestro pequeño rincón del cosmos.

«Los datos del JWST son fantásticos», añadió Emery. “Nos permitieron obtener espectros en longitudes de onda más largas que las obtenidas en tierra, lo que permitió detectar estos hielos. A menudo, cuando se observa en un nuevo rango de longitudes de onda, los datos iniciales pueden ser de muy baja calidad. JWST no sólo ha abierto un nuevo rango de longitudes de onda, sino que también ha proporcionado datos de una calidad fantásticamente alta que son sensibles a un conjunto de materiales en las superficies del Sistema Solar exterior”.

Adaptado del artículo publicado originalmente en Universo hoy.

Referencia: “Una historia de 3 planetas enanos: hielos y materia orgánica en Sedna, Gonggong y Quaoar de la espectroscopia JWST” por JP Emery, I. Wong, R. Brunetto, JC Cook, N. Pinilla-Alonso, JA Stansberry, BJ Holler , W. M. Grundy, S. Protopapa, A. C. Souza-Feliciano, E. Fernández-Valenzuela, J. I. Lunine y D. C. Hines, 26 de septiembre de 2023, Astrofísica > Astrofísica terrestre y planetaria.
arXiv:2309.15230