Webb beobachtet drei Zwergplaneten im Kuipergürtel

Verwendung der James Webb-WeltraumteleskopAstronomen beobachteten drei Zwergplaneten im Kuiper Gürtel, Entdeckung leichter Kohlenwasserstoffe und komplexer Moleküle. Diese Erkenntnisse verbessern unser Verständnis von Objekten im äußeren Sonnensystem und unterstreichen die Fähigkeiten des JWST bei der Weltraumforschung.

Der Kuipergürtel, die riesige Region am Rande unseres Sonnensystems, die von unzähligen eisigen Objekten bevölkert ist, ist eine Fundgrube wissenschaftlicher Entdeckungen. Die Erkennung und Charakterisierung von Kuipergürtelobjekten (KBOs), manchmal auch als transneptunische Objekte bezeichnet (TNOs), hat zu einem neuen Verständnis der Geschichte des Sonnensystems geführt. Die Anordnung der KBOs ist ein Indikator für die Gravitationsströme, die das Sonnensystem geformt haben, und offenbart eine dynamische Geschichte der Planetenwanderungen. Seit dem späten 20. Jahrhundert waren Wissenschaftler begierig darauf, einen genaueren Blick auf KBOs zu werfen, um mehr über ihre Umlaufbahnen und Zusammensetzung zu erfahren.

Die Beobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops

Die Untersuchung von Körpern im äußeren Sonnensystem ist eines der vielen Ziele des James Webb Space Telescope (JWST). Mithilfe von Daten, die mit Webbs Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) gewonnen wurden, beobachtete ein internationales Astronomenteam drei Zwergplaneten im Kuipergürtel: Sedna, Gonggong und Quaoar. Diese Beobachtungen enthüllten mehrere interessante Dinge über ihre jeweiligen Umlaufbahnen und ihre Zusammensetzung, darunter leichte Kohlenwasserstoffe und komplexe organische Moleküle, von denen angenommen wird, dass sie das Produkt der Methanbestrahlung sind.

Die Forschung wurde von Joshua Emery geleitet, einem Professor für Astronomie und Planetenwissenschaften an der Northern Arizona University. Zu ihm gesellten sich Forscher aus NASA‘s Goddard Space Flight Center (GSFC), das Institut d’Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), das Pinhead Institute, das Florida Space Institute (University of Central Florida), das Lowell Observatory, das Southwest Research Institute (SwRI), das Space Telescope Science Institute (STScI), American University. und Cornell University. Ein Vorabdruck ihres Artikels ist online erschienen und wird zur Veröffentlichung geprüft von Ikarus.

Seit ihrem letzten Vorbeiflug am Kuipergürtel-Objekt Arrokoth hat die New Horizons-Mission Objekte im Kuipergürtel erkundet und heliosphärische und astrophysikalische Beobachtungen durchgeführt. Bildnachweis: NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

Geschichte der Erforschung des Kuipergürtels

Trotz aller Fortschritte in der Astronomie und in der Roboterforschung ist unser Wissen über die Transneptunregion und den Kuipergürtel immer noch begrenzt. Bis heute die einzige Mission zum Studieren Uranus, Neptunund ihr Hauptsatellit war der Voyager 2 Mission, die 1986 bzw. 1989 an diesen Eisriesen vorbeiflog. Darüber hinaus ist die Neue Horizonte Die Mission war das erste Raumschiff, das untersucht wurde Pluto und seinen Satelliten (im Juli 2015) und der einzige, der am 1. Januar 2019 auf ein Objekt im Kuipergürtel traf, als es an der als Arrokoth bekannten KBO vorbeiflog.

Erwartungen der Astronomen an JWST

Dies ist einer der vielen Gründe, warum Astronomen den Start des JWST mit Spannung erwartet haben. Neben der Untersuchung von Exoplaneten und den frühesten Galaxien im Universum wurden seine leistungsstarken Infrarot-Bildgebungsfähigkeiten auch auf unseren Hinterhof ausgerichtet und enthüllten neue Bilder des Mars. Jupiterund seine größten Satelliten. Für ihre Studie nutzten Emery und seine Kollegen Nahinfrarotdaten, die Webb von drei Planetoiden im Kuipergürtel – Sedna, Gonggong und Quaoar – erhalten hatte. Diese Körper haben einen Durchmesser von etwa 1.000 km (620 Meilen), was sie in die IAU-Bezeichnung für Zwergplaneten einordnet.

Einblicke in Zwergplaneten

Wie Emery Universe Today per E-Mail mitteilte, sind diese Körper aufgrund ihrer Größe, Umlaufbahn und Zusammensetzung für Astronomen besonders interessant. Andere transneptunische Körper – wie Pluto, Eris, Haumea und Makemake – haben allesamt flüchtiges Eis auf ihren Oberflächen (Stickstoff, Methan usw.). Die einzige Ausnahme ist Haumea, das (anscheinend) bei einem großen Einschlag seine flüchtigen Bestandteile verlor. Wie Emery sagte, wollten sie sehen, ob auch Sedna, Gonggong und Quaoar ähnliche flüchtige Stoffe auf ihren Oberflächen haben:

„Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass sie dazu in der Lage sein könnten. Obwohl alle ungefähr gleich groß sind, unterscheiden sich ihre Umlaufbahnen. Sedna ist ein Objekt der inneren Oortschen Wolke mit einem Perihel von 76 AE und einem Aphel von fast 1.000 AE, Gonggong befindet sich ebenfalls in einer sehr elliptischen Umlaufbahn mit einem Perihel von 33 AE und einem Aphel von ~100 AE, und Quaoar befindet sich in einer relativ kreisförmigen Umlaufbahn nahe 43 AU. Diese Umlaufbahnen bringen die Körper in unterschiedliche Temperaturregime und unterschiedliche Strahlungsumgebungen (Sedna beispielsweise verbringt die meiste Zeit außerhalb der Heliosphäre der Sonne). Wir wollten untersuchen, wie sich diese unterschiedlichen Umlaufbahnen auf die Oberflächen auswirken könnten. Es gibt auch andere interessante Eissorten und komplexe organische Stoffe auf den Oberflächen.“

Bilder von einer der beiden PRISM-Gitterbeobachtungen von Sedna, Gonggong und Quaoar. Bildnachweis: Emery, JP et al. (2023)

Anhand der Daten von Webbs NIRSpec-Instrument beobachtete das Team alle drei Körper im Prismenmodus mit niedriger Auflösung bei Wellenlängen von 0,7 bis 5,2 Mikrometern (µm) und platzierte sie alle im nahen Infrarotspektrum. Zusätzliche Beobachtungen wurden von Quaoar im Bereich von 0,97 bis 3,16 µm mit Gittern mittlerer Auflösung und zehnfacher spektraler Auflösung durchgeführt. Die resultierenden Spektren enthüllten einige interessante Dinge über diese TNOs und die Oberflächenzusammensetzungen, sagte Emery:

„Wir haben auf allen drei Körpern reichlich Ethan (C2H6) gefunden, am deutlichsten auf Sedna. Sedna zeigt auch Acetylen (C2H2) und Ethylen (C2H4). Die Häufigkeiten korrelieren mit der Umlaufbahn (am meisten auf Sedna, weniger auf Gonggong, am wenigsten auf Quaoar), was mit relativen Temperaturen und Strahlungsumgebungen übereinstimmt. Diese Moleküle sind direkte Bestrahlungsprodukte von Methan (CH4). Hätten sich Ethan (oder die anderen) schon längere Zeit auf den Oberflächen befunden, wären sie durch Bestrahlung in noch komplexere Moleküle umgewandelt worden. Da wir sie immer noch sehen, vermuten wir, dass den Oberflächen ziemlich regelmäßig Methan (CH4) zugeführt werden muss.“

Diese Ergebnisse stimmen mit denen überein, die in zwei aktuellen Studien unter der Leitung von Dr. Will Grundy, einem Astronomen am Lowell Observatory und Co-Forscher bei der NASA, präsentiert wurden Neue Horizonte Mission, und Chris Glein, ein Planetenwissenschaftler und Geochemiker am SwRI. Für beide Studien haben Grundy, Glien und ihre Kollegen die Deuterium/Wasserstoff (D/H)-Verhältnisse im Methan auf Eris und Makemake gemessen und kamen zu dem Schluss, dass das Methan nicht ursprünglich war. Stattdessen argumentieren sie, dass die Verhältnisse daraus resultieren, dass Methan in ihren Innenräumen verarbeitet und an die Oberfläche abgegeben wird.

„Wir vermuten, dass das Gleiche auch für Sedna, Gonggong und Quaoar gilt“, sagte Emery. „Wir sehen auch, dass sich die Spektren von Sedna, Gonggong und Quaoar von denen kleinerer KBOs unterscheiden. Auf zwei kürzlich stattgefundenen Konferenzen gab es Vorträge, die zeigten, dass JWST-Daten kleinerer KBOs in drei Gruppen gruppiert sind, von denen keine wie Sedna, Gonggong und Quaoar aussieht. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Tatsache, dass unsere drei größeren Körper eine unterschiedliche geothermische Geschichte haben.“

Vergleich zwischen den acht größten TNOs mit der Erde (alle maßstabsgetreu). Bildnachweis: NASA/Lexicon

Implikationen der Ergebnisse

Diese Erkenntnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf die Untersuchung von KBOs, TNOs und anderen Objekten im äußeren Sonnensystem haben. Dazu gehören neue Erkenntnisse über die Bildung von Objekten jenseits der Frostgrenze in Planetensystemen, die sich auf die Grenze bezieht, jenseits derer flüchtige Verbindungen fest gefrieren. In unserem Sonnensystem entspricht die transneptunische Region der Stickstofflinie, wo Körper große Mengen flüchtiger Stoffe mit sehr niedrigen Gefrierpunkten (z. B. Stickstoff, Methan und Ammoniak) zurückhalten. Diese Ergebnisse, sagte Emery, zeigen auch, welche Art von Evolutionsprozessen für Körper in dieser Region am Werk sind:

„Die primäre Implikation könnte darin bestehen, die Größe herauszufinden, bei der KBOs warm genug geworden sind, um das Ureis im Inneren wieder aufzubereiten, vielleicht sogar zu differenzieren.“ Wir sollten diese Spektren auch nutzen können, um den Strahlungsprozess von Oberflächeneis im äußeren Sonnensystem besser zu verstehen. Und zukünftige Studien werden auch in der Lage sein, die flüchtige Stabilität und die Möglichkeit von Atmosphären auf diesen Körpern in allen Teilen ihrer Umlaufbahnen detaillierter zu untersuchen.“

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen auch die Fähigkeiten des JWST, das sich seit seiner Inbetriebnahme Anfang letzten Jahres mehrfach bewährt hat. Sie erinnern uns auch daran, dass Webb nicht nur neue Visionen und Durchbrüche in Bezug auf ferne Planeten, Galaxien und die großräumige Struktur des Universums ermöglicht, sondern auch Dinge über unsere kleine Ecke des Kosmos enthüllen kann.

„Die JWST-Daten sind fantastisch“, fügte Emery hinzu. „Sie ermöglichten es uns, Spektren bei längeren Wellenlängen als vom Boden aus aufzunehmen, was den Nachweis dieser Eissorten ermöglichte. Bei Beobachtungen in einem neuen Wellenlängenbereich können die anfänglichen Daten oft von ziemlich schlechter Qualität sein. JWST hat nicht nur einen neuen Wellenlängenbereich eröffnet, sondern auch Daten von fantastisch hoher Qualität geliefert, die auf eine Reihe von Materialien auf den Oberflächen im äußeren Sonnensystem ansprechen.“

Adaptiert aus einem Artikel, der ursprünglich auf Universe Today veröffentlicht wurde.

Referenz: „Eine Geschichte von 3 Zwergplaneten: Eis und organische Stoffe auf Sedna, Gonggong und Quaoar aus JWST-Spektroskopie“ von JP Emery, I. Wong, R. Brunetto, JC Cook, N. Pinilla-Alonso, JA Stansberry, BJ Holler , WM Grundy, S. Protopapa, AC Souza-Feliciano, E. Fernández-Valenzuela, JI Lunine und DC Hines, 26. September 2023, Astrophysik > Erd- und Planetenastrophysik.
arXiv:2309.15230