Una nueva investigación dirigida por investigadores de la Universidad de Florida Central ofrece por primera vez una imagen más clara de cómo se formó y evolucionó el Sistema Solar exterior, basándose en análisis de Objetos Transneptunianos (TNO) y Centauros.
Resultados, publicados hoy astronomía de la naturaleza, Revela la distribución del hielo en el Sistema Solar primitivo y cómo los TNO viajan tierra adentro hasta las regiones de los planetas gigantes entre Júpiter y Saturno, convirtiéndose en centauros.
Los TNO son cuerpos pequeños, o “cuerpos planetarios”, que orbitan alrededor del Sol más allá de Plutón. Nunca se convirtieron en planetas y sirven como cápsulas primordiales, preservando evidencia importante de los procesos moleculares y las migraciones planetarias que dieron forma al sistema solar hace miles de millones de años. Estos objetos del sistema solar son como asteroides helados y tienen órbitas comparables o más grandes que la órbita de Neptuno.
Antes del nuevo estudio dirigido por la UCF, se sabía que los TNO eran una población diversa según sus propiedades orbitales y el color de la superficie, pero la estructura molecular de estos objetos no se entendía bien. Durante décadas, la falta de conocimiento detallado ha dificultado la interpretación de su color y variaciones dinámicas. Ahora, nuevos hallazgos desbloquean la antigua cuestión de explicar la variación del color proporcionando información sobre la composición.
“Con este nuevo estudio, se presenta una imagen más completa de la diversidad y las piezas del rompecabezas están empezando a encajar”, afirmó Naomi Pinilla-Alonso, autora principal del estudio.
“Por primera vez, hemos identificado moléculas específicas responsables de la variación significativa en el espectro, el color y el albedo entre los objetos transneptunianos”, dice Pinilla-Alonso. “Estas moléculas, como el hielo de agua, el dióxido de carbono, el metanol y los compuestos orgánicos complejos, nos dan un vínculo directo entre las propiedades espectrales de los TNO y sus composiciones químicas”.
Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los investigadores descubrieron que los TNO se pueden clasificar en tres grupos de composición distintos, formados por líneas de hielo que existieron durante la era en la que se formó el Sistema Solar hace miles de millones de años.
Estas líneas se identifican como regiones donde las temperaturas eran lo suficientemente frías como para que se formara y sobreviviera cierto hielo dentro del disco protoplanetario. Estas regiones, definidas por su distancia al Sol, marcan los puntos clave del gradiente de temperatura del Sistema Solar temprano y proporcionan un vínculo directo entre las condiciones de formación de los planetas y sus composiciones actuales.
Rosario Brunetto, segunda autora del artículo e investigadora científica del Centro Nacional de la Investigación del Instituto de Astrofísica Spatelle (Universidad Paris-Saclay), dijo que los resultados son el primer vínculo claro entre la formación de planetas en discos protoplanetarios y su evolución posterior. . El trabajo arroja luz sobre cómo las distribuciones espectrales y dinámicas observadas hoy surgieron en un sistema planetario moldeado por una evolución dinámica compleja, dice.
“Los grupos compositivos de los TNO no están distribuidos uniformemente entre objetos en órbitas similares”, dijo Brunetto. “Por ejemplo, los clásicos fríos formados en las regiones exteriores de los discos protoplanetarios pertenecen a una clase dominada exclusivamente por metanol y compuestos orgánicos complejos. Por el contrario, los TNO en órbitas asociadas con la nube de Oort, que se originó cerca de planetas gigantes, son todos parte del espectro grupo caracterizado por agua helada y silicatos.”
Brittany Harvison, estudiante de doctorado en física de la UCF que trabajó en el proyecto mientras estudiaba con Pinilla-Alonso, dijo que los tres grupos exhiben cualidades definidas por la composición de su superficie que indican la estructura compositiva de los discos protoplanetarios.
“Esto respalda nuestra comprensión del material disponible que ayudó a formar cuerpos exteriores del sistema solar, como los gigantes gaseosos y sus lunas o Plutón y otros habitantes de la región transneptuniana”, afirma.
Un estudio complementario sobre centauros publicado en el mismo volumen. Naturaleza AstronomíaLos investigadores encontraron firmas espectrales únicas distintas de los TNO, lo que indica la presencia de un manto de regolito polvoriento en su superficie.
El descubrimiento de los centauros, que son TNO que han desplazado sus órbitas hacia la región de los planetas gigantes después de un encuentro gravitacional cercano con Neptuno, ayuda a iluminar cómo los TNO se convierten en centauros y, a veces, se convierten en cometas a medida que se acercan al Sol. la cola
Su trabajo reveló que las superficies de todos los centauros observados mostraban características especiales en comparación con las superficies de los TNO, lo que sugiere que se produjeron cambios como resultado de su viaje hacia el interior del Sistema Solar.
De las tres clases de tipos de superficie de TNO, dos (cuencos y acantilados) se observaron en poblaciones de centauros, ambos pobres en hielo volátil, dijo Pinilla-Alonso.
Sin embargo, en los centauros estas superficies presentan una característica distintiva: están cubiertas por una capa de regolito polvoriento mezclado con hielo, afirma.
“Curiosamente, detectamos una nueva clase de superficie, inexistente entre los TNO, similar a la débil superficie del hielo en el interior del Sistema Solar, los núcleos de los cometas y los asteroides activos”, dice.
Javier Licandro, investigador principal del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC, Tenerife, España) y autor principal del trabajo sobre los centauros, dijo que la variación espectral observada en los centauros es más amplia de lo esperado, lo que sugiere que los modelos existentes de su evolución térmica y química puede ser necesario. refinamiento
Por ejemplo, la variedad de biofirmas y efectos de la radiación observados no eran del todo esperados, dijo Licandro.
“La diversidad detectada en la población de centauros en términos de agua, polvo y materia orgánica compleja sugiere diferentes orígenes y diferentes etapas evolutivas de la población de TNO, destacando que los centauros no son un grupo homogéneo sino objetos dinámicos y de transición”, dijo Licandro. “Los efectos de la evolución térmica observada en la composición de la superficie de los centros son clave para establecer relaciones entre las poblaciones de TNO y otros cuerpos más pequeños, como los satélites irregulares de planetas gigantes y sus asteroides troyanos”.
El coautor del estudio, Charles Shambeau, científico planetario del Instituto Espacial de Florida (FSI) de la UCF que se especializa en estudios de centauros y cometas, enfatizó la importancia de las observaciones y que algunos centauros podrían clasificarse en la misma categoría que los TNO observados en discotecas.
“Es bastante profundo porque cuando un TNO se transforma en un centauro, experimenta un ambiente cálido donde la superficie del hielo y los materiales cambian”, dice Shambeau. “Aparentemente, sin embargo, los cambios en la superficie en algunos casos son mínimos, lo que permite que los centauros individuales se vinculen con sus poblaciones originales de TNO. Los tipos espectrales de TNO y centauros son diferentes, pero lo suficientemente similares como para estar vinculados”.
Cómo se llevó a cabo la investigación
Los estudios forman parte del proyecto Descubrimiento de composición superficial de objetos transneptunianos (DiSco) dirigido por Pinilla-Alonso para descubrir la composición molecular del TNO. Pinilla-Alonso es ahora un profesor distinguido en el Instituto de Ciencia y Tecnología Espaciales de Asturias de la Universidad de Oviedo y trabaja como científico planetario en el FSI.
Para el estudio, los investigadores utilizaron JWST, lanzado hace casi tres años, para proporcionar una visión sin precedentes de la diversidad molecular de TNO y la superficie de Centaur a través de observaciones en el infrarrojo cercano que superan las limitaciones de las observaciones terrestres y otros instrumentos disponibles.
Para estudiar los TNO, los investigadores midieron los espectros de 54 TNO utilizando JWST, capturando los patrones de luz detallados de estos objetos. Al analizar estos espectros de alta sensibilidad, los investigadores pueden identificar moléculas específicas en su superficie. Utilizando técnicas de agrupación, los TNO se clasificaron en tres grupos distintos según la composición de su superficie. Los grupos fueron apodados “cuencos”, “doble inmersión” y “acantilados” debido a la forma de sus patrones de absorción de luz.
Encontraron que:
- TNO tipo cuenco Se formó un 25% de la muestra y se caracterizó por una fuerte absorción de agua helada y una superficie polvorienta. Mostraban signos claros de hielo de agua cristalina y tenían baja reflectividad, lo que indica la presencia de material refractario oscuro.
- TNO de doble inmersión Representa el 43% de la muestra y muestra fuertes bandas de dióxido de carbono (CO2) y algunos signos de materia orgánica compleja.
- TNO tipo acantilado Compuesto por el 32% de la muestra y compuestos orgánicos complejos, metanol y moléculas que contienen nitrógeno tenían señales fuertes y el color era el más rojo.
Para el estudio de los centauros, los investigadores observaron y analizaron los espectros de reflectancia de cinco centauros (52872 Okyrhoe, 3253226 Thereus, 136204, 250112 y 310071). Esto les permitió identificar las composiciones de la superficie de los centauros, lo que reveló una variación significativa entre las muestras observadas.
Descubrieron que Therias y el WL7 2003 pertenecen al tipo cuenco, mientras que el KY14 2002 pertenece al tipo acantilado. Los dos centauros restantes, Okyrhoe y 2010 KR59, no encajan en ninguna clase espectral existente y fueron clasificados como “tipo superficial” debido a sus espectros únicos. Este grupo recién definido se caracteriza por una alta concentración de polvo primitivo, parecido a un cometa, y poco o ningún hielo volátil.
Investigación previa y próximos pasos
Pinilla-Alonso dijo que investigaciones anteriores de DISCO habían revelado la presencia de óxido de carbono ampliamente en la superficie del TNO, lo cual fue un descubrimiento importante.
“Ahora nos basamos en ese hallazgo y ofrecemos una comprensión más completa de las superficies de TNO”, afirma. “Una gran comprensión es que el hielo de agua, que antes se pensaba que era el hielo superficial más abundante, no es tan frecuente como alguna vez supusimos. En cambio, el dióxido de carbono (CO2) (un gas a la temperatura de la Tierra) y otros óxidos de carbono, como el monóxido de carbono supervolátil (CO), se encuentran en un mayor número de cuerpos”.
Los resultados del nuevo estudio son sólo el comienzo, afirmó Harvison.
“Ahora que tenemos información general sobre los grupos compositivos identificados, tenemos mucho más que explorar y descubrir”, dice. “Como comunidad, podemos comenzar a explorar los detalles de lo que hizo a los grupos tal como los vemos hoy”.
La investigación fue apoyada por la NASA a través de una subvención del Space Telescope Science Institute.