Космічні телескопи James Webb і Hubble допомогли астрономам виявити 27 раніше невідомих транснептунових об’єктів — надзвичайно малих і тьмяних крижаних тіл, які рухаються навколо Сонця далеко за орбітою Нептуна. Деякі з них стали найменшими об’єктами такого типу, які вдалося безпосередньо побачити. Але головним сюрпризом для науковців виявилася не сама кількість відкриттів. Поверхні цих далеких тіл, схоже, досі зберігають інформацію про умови, у яких вони сформувалися на початку історії Сонячної системи.
Про результати дослідження NASA повідомило 8 вересня. Робота стала першим випадком, коли вчені одночасно використали можливості Hubble та James Webb для настільки детального вивчення найтьмяніших транснептунових об’єктів. Два пов’язані дослідження опублікували в науковому журналі The Astronomical Journal. Учені аналізували розміри, орбіти, кольори та ймовірний склад поверхонь нових тіл.
Попри слово «світи» у популярному описі відкриття, йдеться не про нові планети. Транснептунові об’єкти, або TNO, — це невеликі переважно крижані тіла, орбіти яких лежать за Нептуном. До цієї великої групи належать об’єкти поясу Койпера, де розташований і Плутон. Більшість досліджених зараз тіл настільки тьмяні, що їхня яскравість більш ніж у 100 млн разів менша, ніж у найслабших об’єктів, видимих неозброєним оком.
Найменший із нових об’єктів має діаметр лише близько 5 км. За оцінкою NASA, це приблизно у п’ять разів менше за межу, до якої сьогодні здатні дістатися найчутливіші наземні телескопи під час аналогічних пошуків. Один із виявлених Webb об’єктів був настільки тьмяним, що NASA порівняло складність його спостереження зі спробою, перебуваючи на Землі, побачити невелику групу світлячків на поверхні Місяця.
Саме поєднання двох космічних обсерваторій дозволило отримати інформацію, яку було б значно складніше зібрати кожній із них окремо. Hubble спостерігав об’єкти у видимому світлі, а Webb — в інфрачервоному діапазоні. Завдяки цьому астрономи змогли порівняти їхні кольори, оцінити розміри та уточнити орбіти. Для таких далеких тіл колір є важливою характеристикою, оскільки він допомагає дослідникам робити висновки про склад і властивості поверхні.
І саме тут учених чекала несподіванка.
До спостережень існувало припущення, що маленькі транснептунові об’єкти протягом мільярдів років мали пережити значно більше зіткнень, ніж їхні великі «родичі». Такі удари могли розбивати тіла на фрагменти, відкривати нові шари матеріалу й поступово змінювати зовнішній вигляд поверхні. Отже, найменші TNO мали б за кольором відрізнятися від великих.
Проте дослідники побачили іншу картину: маленькі об’єкти демонструють ті самі закономірності кольорів, що й значно більші представники відповідних популяцій. Це означає, що їхні поверхні або змінювалися набагато менше, ніж припускали моделі, або якимось чином змогли зберегти первісний хімічний склад навіть після тривалої історії зіткнень.
Керівниця одного з досліджень, аспірантка Northern Arizona University Анастасія Морган пояснила, що саме ця властивість дозволяє говорити про своєрідну «пам’ять» маленьких космічних тіл. Якби численні зіткнення повністю переробляли їхні поверхні, маленькі TNO мали б відрізнятися від великих. Натомість спостереження свідчать, що навіть найдрібніші об’єкти зберігають інформацію про те, як і де вони утворилися.
Це важливо через надзвичайний вік таких тіл. Сонячна система почала формуватися приблизно 4,6 млрд років тому з диска газу, пилу та дрібних частинок навколо молодого Сонця. Матеріал поступово злипався у більші тіла — планетезималі, а ті, своєю чергою, ставали будівельними блоками майбутніх планет.
У внутрішніх областях Сонячної системи цей процес пішов значно далі: планетезималі зіштовхувалися й об’єднувалися, формуючи планети. Але далеко за Нептуном значна кількість малих тіл так і залишилася на ранньому етапі розвитку. Саме тому NASA називає транснептунові об’єкти одним із найкращих доступних способів зазирнути в період, коли планети лише починали формуватися. Вони фактично є замороженими залишками будівельного матеріалу Сонячної системи.
Дослідники вивчали дві різні групи таких тіл. Перші називають динамічно «холодними». Вони залишилися приблизно там, де утворилися, і рухаються відносно круговими орбітами поблизу площини Сонячної системи.
Інша група — динамічно «гарячі» TNO. За сучасними моделями, вони сформувалися ближче до Сонця, приблизно між нинішніми орбітами Урана та Нептуна. Коли гігантські планети на ранніх етапах історії Сонячної системи змінювали свої орбіти, частину малих тіл гравітаційно викинуло набагато далі. Тепер вони рухаються більш витягнутими орбітами і можуть значно відхилятися від основної площини планетної системи.
Особливо цікаво, що навіть ця друга група, попри масштабне переміщення, схоже, зберегла хімічний відбиток місця свого народження. Співавтор дослідження Девід Триллінг із Northern Arizona University зазначив, що орбіти цих тіл могли бути кардинально перемішані, але властивості їхніх поверхонь усе ще містять сліди початкових умов.
Ще один сюрприз стосувався кількості малих об’єктів. Webb дозволив дослідникам оцінити, скільки тіл існує в різних діапазонах розмірів. Виявилося, що дуже малих TNO менше, ніж передбачали деякі моделі формування планет. Крім того, розподіл об’єктів за розмірами в «гарячій» і «холодній» популяціях виявився напрочуд схожим.
Керівниця дослідження розподілу за розмірами Маріель Едуардо з University of Victoria звернула увагу, що це може свідчити про певну універсальність процесу формування планетезималей. Попри те що дві популяції виникали в різних областях ранньої Сонячної системи, вони сформували приблизно схожий набір тіл різних розмірів.
Результати представлені у двох роботах у The Astronomical Journal. Одне дослідження під керівництвом Маріель Едуардо присвячене функції світності надзвичайно тьмяних транснептунових об’єктів, виявлених JWST. Друге, очолюване Анастасією Морган, поєднує глибокі зображення Webb і Hubble для характеристики найменших відомих TNO.
Водночас учені поки не мають остаточної відповіді, чому поверхні таких маленьких об’єктів настільки добре зберегли свої первісні характеристики. Один варіант — зіткнень за мільярди років було менше, ніж вважалося. Інший — навіть після зіткнень матеріал на поверхні якимось чином продовжує відображати початковий склад тіл. Саме це питання тепер стане одним із напрямів подальших досліджень.
Нові 27 об’єктів тому цікаві не просто як чергове поповнення каталогу Сонячної системи. Їхня цінність полягає в тому, що ці крихітні крижані тіла можуть бути своєрідними космічними капсулами часу. Вони пережили понад чотири мільярди років еволюції Сонячної системи, але, судячи з нових даних Hubble і Webb, досі несуть на своїх поверхнях інформацію про епоху, коли Землі та інших знайомих нам планет у сучасному вигляді ще не існувало.
І тепер астрономи вперше отримують можливість читати цю «пам’ять» навіть у тілах завбільшки лише кілька кілометрів.
