За пределами Нептуна ледяные миры хранили 4,5-миллиардную тайну

Фото из открытых источников

Впервые астрономы направили два флагманских космических телескопа НАСА на один и тот же участок неба за Нептуном и позволили им работать в команде. Телескоп «Хаббл» отвечал за видимый свет, а телескоп Джеймса Уэбб» — за инфракрасное излучение. Вместе они обнаружили 27 ранее неизвестных транснептуновых объектов (ТНО) — небольших ледяных тел, дрейфующих во внешней темной зоне Солнечной системы, некоторые из которых являются самыми маленькими и тусклыми из когда-либо наблюдавшихся непосредственно любым телескопом.

Результаты, опубликованные в двух взаимосвязанных статьях в журнале The Astronomical Journal, преподносят настоящий сюрприз: эти крошечные миры встречаются гораздо реже, чем предсказывали модели формирования планет, и на их поверхностях до сих пор сохранились химические следы младенчества Солнечной системы — несмотря на миллиарды лет космической бомбардировки, которая должна была бы их очистить.

Насколько тусклыми бывают объекты? Большинство транснептуновых объектов более чем в 100 миллионов раз тусклее, чем всё, что видно невооружённым глазом. Один из 27 недавно обнаруженных объектов настолько тусклый, что его обнаружение примерно эквивалентно наблюдению за небольшим роем светлячков, сидящих на поверхности Луны, находясь на Земле.

Самый маленький объект в выборке имеет диаметр всего около 5 километров — это тело, которое можно пройти пешком примерно за час, если на нем можно стоять, — и это примерно в пять раз меньше, чем все, что в настоящее время могут обнаружить наземные телескопы.

Проект возглавляли аспиранты из Университета Виктории в Канаде, работавшие совместно с Национальным исследовательским советом Канады, и из Университета Северной Аризоны в США. Целевой регион находится далеко за орбитой Нептуна, в том же широком районе, что и Плутон и остальная часть пояса Койпера — класса объектов, которые НАСА называет «лучшими из существующих в Солнечной системе объектами, позволяющими наблюдать раннюю стадию формирования планет».

Примерно 4,5 миллиарда лет назад диск из пыли и камешков, вращающийся вокруг молодого Солнца, начал сгущаться, образуя строительные блоки размером с город, называемые планетезималами — сырьем, из которого состоят планеты. Ближе к Солнцу эти планетезималы продолжали сталкиваться и сливаться, пока не превратились в каменистые и газовые планеты, которые мы знаем сегодня.

За пределами Нептуна этот процесс просто остановился. Планетезималы так и не получили возможности завершить свою сборку во что-то большее, поэтому миллиарды лет они провели в виде замороженных остатков — окаменелостей строительного проекта, который так и не возобновился.

Астрономы делят транснептуновые объекты (ТНО) на два семейства в зависимости от их движения. «Холодные» ТНО находятся на почти круговых орбитах, в той же плоской плоскости, что и остальная часть Солнечной системы — по сути, невозмущенные с момента своего образования. «Горячие» ТНО более хаотичны: они первоначально образовались в зоне между Ураном и Нептуном, но были выброшены наружу, когда газовые гиганты мигрировали на ранних этапах истории Солнечной системы. Теперь они движутся по наклонным, вытянутым орбитам, которые перемещают их в основную плоскость и обратно.

Изначально исследователи ожидали, что самые маленькие транснептуновые объекты — как из горячей, так и из холодной популяций — будут заметно отличаться от своих более крупных собратьев. Логика казалась верной: у меньших объектов меньше масса и меньшая гравитация, поэтому многовековые удары и столкновения микрометеоритов должны были бы более заметно изменять химический состав их поверхности, чем у более крупных тел.

Однако это оказалось не так. Цвета небольших транснептуновых объектов — которые служат своего рода композиционным отпечатком пальца — почти точно совпали с цветами более крупных объектов в обеих популяциях. Либо что-то защищает эти поверхности от последствий столкновений, либо сами столкновения происходят реже, чем предполагалось.

Можно представить себе ситуацию, когда удары и фрагментация изменяют состав поверхности, и тогда вы увидите другой цвет поверхности у крошечных транснептуновых объектов по сравнению с их более крупными собратьями, — сказала Анастасия Морган, аспирантка Университета Северной Аризоны, возглавлявшая исследование цвета и состава. — Поэтому действительно удивительно видеть, что самые маленькие объекты каким-то образом «помнят» и сохраняют историю своего образования.

Ее соавтор, Дэвид Триллинг, также из Университета Северной Аризоны, отметил, что это справедливо даже для активно перемещающихся «горячих» объектов: эти объекты сохраняют сигнатуру места своего рождения, даже несмотря на то, что с тех пор их орбиты были изменены.

Вторая, столь же неожиданная закономерность обнаружилась в данных о размерах. Мариэль Эдуардо, аспирантка Университета Виктории, возглавлявшая исследование распределения по размерам, обнаружила, что холодные и горячие транснептуновые объекты — несмотря на то, что образовались в совершенно разных частях ранней Солнечной системы — показали почти идентичные кривые, когда исследователи построили график зависимости их количества от диаметра.

«Очень интересно, что процесс формирования планетезималов в итоге приводит к одинаковому распределению размеров как для холодных, так и для горячих популяций, — сказал Эдуардо, — несмотря на то, что они формировались в разных регионах ранней Солнечной системы… Этот процесс, по-видимому, нечувствителен к условиям диска, приводя к образованию планетезималов схожих размеров независимо от того, горячий диск или холодный, плотный или рыхлый».

Другой важный результат – это недостаток. Современные модели формирования планет предсказывали существование определенного количества очень маленьких транснептуновых объектов в этом диапазоне размеров. Телескопы обнаружили меньше таких объектов, чем ожидалось. Этот пробел теперь является актуальной проблемой для теоретиков: он указывает на то, что некоторые аспекты аккреции планетезималов – или их последующего распада – не совсем отражены в современных моделях, и эти модели, вероятно, потребуют пересмотра.

Ничего из этого не было бы возможно, если бы каждый из телескопов работал по отдельности. Сильная сторона Хаббла — видимый свет; у Вебба — инфракрасный. Вместе они дали исследователям гораздо более полную картину размеров, цвета и состава этих объектов, чем любой из этих инструментов мог бы получить по отдельности.

До сих пор не выяснено, почему эти маленькие, хрупкие на вид миры сохранили свой первоначальный химический состав на протяжении 4,5 миллиардов лет в регионе космоса, который отнюдь не спокоен.

Обе команды заявляют, что продолжают анализировать данные, и пока неясно, окажется ли ответом меньшее количество столкновений, чем предполагалось, или какой-то невыявленный механизм, позволяющий этим объектам залечивать или скрывать повреждения. На данный момент внешняя часть Солнечной системы хранит свою тайну.