Pela primeira vez, gelos de dióxido de carbono e monóxido de carbono foram observados nos confins do nosso sistema solar em objetos transnetunianos (TNOs).



Uma equipe de pesquisa, liderada pelos cientistas planetários Mário Nascimento De Prá e Noemí Pinilla-Alonso, do Florida Space Institute (FSI) da Universidade da Flórida Central, fez as descobertas usando as capacidades espectrais infravermelhas do Telescópio Espacial James Webb (JWST) para analisar a composição química de 59 objetos transnetunianos e centauros.

O estudo pioneiro, publicado esta semana na Nature Astronomy , sugere que o gelo de dióxido de carbono era abundante nas regiões externas frias do disco protoplanetário, o vasto disco giratório de gás e poeira a partir do qual o sistema solar se formou. Mais investigações são necessárias para compreender as origens do gelo de monóxido de carbono, uma vez que também é predominante nos TNOs do estudo.

Os pesquisadores relataram a detecção de dióxido de carbono em 56 TNOs e monóxido de carbono em 28 (mais seis com detecções duvidosas ou marginais), de uma amostra de 59 objetos observados com o JWST. O dióxido de carbono foi difundido nas superfícies da população transnetuniana, independentemente da classe dinâmica e do tamanho do corpo, enquanto o monóxido de carbono foi detectado apenas em objetos com alta abundância de dióxido de carbono, de acordo com o estudo.

O trabalho faz parte do programa Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs), liderado pela UCF, um dos programas JWST focado na análise do nosso sistema solar.

“É a primeira vez que observamos esta região do espectro para uma grande coleção de TNOs, então, de certa forma, tudo o que vimos foi emocionante e único”, diz de Prá, coautor do estudo. “Não esperávamos descobrir que o dióxido de carbono fosse tão onipresente na região do TNO, e menos ainda que o monóxido de carbono estivesse presente em tantos TNOs”.

A descoberta dos gelos pode ajudar-nos ainda mais a compreender a formação do nosso sistema solar e como os objetos celestes podem ter migrado, diz ele.

“Os Objetos Transnetunianos são relíquias do processo de formação planetária”, diz de Prá. "Essas descobertas podem impor restrições importantes sobre onde esses objetos foram formados, como chegaram à região que habitam hoje e como suas superfícies evoluíram desde a sua formação. Como se formaram a distâncias maiores do Sol e são menores que os planetas, eles contêm a informação original sobre a composição original do disco protoplanetário."

Crônicas do Gelo Antigo

Gelo de monóxido de carbono foi observado em Plutão pela sonda New Horizons, mas só depois do JWST existir um observatório poderoso o suficiente para localizar e detectar vestígios de gelo de monóxido de carbono ou gelo de dióxido de carbono na maior população de TNOs.

O dióxido de carbono é comumente encontrado em muitos objetos do nosso sistema solar. Assim, a equipe DiSCo estava curiosa para ver se ela existia em maiores quantidades além dos limites de Netuno.

As possíveis razões para a falta de detecções anteriores de gelo de dióxido de carbono em TNOs incluem uma menor abundância, dióxido de carbono não volátil sendo enterrado sob camadas de outros gelos menos voláteis e material refratário ao longo do tempo, conversão em outras moléculas através de irradiação e simples limitações observacionais. , de acordo com o estudo.

A descoberta de dióxido de carbono e monóxido de carbono nos TNOs fornece algum contexto, ao mesmo tempo que levanta muitas questões, diz de Prá.

“Embora o dióxido de carbono tenha provavelmente sido acumulado a partir do disco protoplanetário, a origem do monóxido de carbono é mais incerta”, diz ele. "Este último é um gelo volátil mesmo nas superfícies frias dos TNOs. Não podemos descartar a possibilidade de o monóxido de carbono ter sido originalmente acumulado e de alguma forma ter sido retido até a presente data. No entanto, os dados sugerem que ele poderia ser produzido pela irradiação de gelos contendo carbono."

Uma avalanche de respostas

A confirmação da presença de dióxido de carbono e monóxido de carbono nos TNOs abre muitas oportunidades para estudos mais aprofundados e quantificar como ou por que estão presentes, diz Pinilla-Alonso, que também é coautor do estudo e lidera o programa DiSCo-TNOs.

“A descoberta de dióxido de carbono em objetos transnetunianos foi emocionante, mas ainda mais fascinantes foram as suas características”, diz ela. "A impressão espectral do dióxido de carbono revelou duas composições de superfície distintas em nossa amostra. Em alguns TNOs, o dióxido de carbono é misturado com outros materiais como metanol, gelo de água e silicatos. No entanto, em outro grupo - onde o dióxido de carbono e o monóxido de carbono são importantes componentes da superfície - a assinatura espectral era surpreendentemente única. Esta impressão nítida de dióxido de carbono é diferente de tudo o que foi observado em outros corpos do sistema solar ou mesmo replicado em ambientes de laboratório."

Parece agora claro que quando o dióxido de carbono é abundante, parece isolado de outros materiais, mas isto por si só não explica a forma da banda, diz Pinilla-Alonso. Compreender estas bandas de dióxido de carbono é outro mistério, provavelmente ligado às suas propriedades ópticas únicas e à forma como reflectem ou absorvem cores específicas de luz, diz ela.

Foi comumente teorizado que talvez o dióxido de carbono possa estar presente nos TNOs, assim como o dióxido de carbono existe em estado gasoso nos cometas, que são comparáveis ​​em composição, diz Pinilla-Alonso.

“Nos cometas, observamos o dióxido de carbono como um gás, libertado pela sublimação do gelo na superfície ou logo abaixo dela”, diz ela. "No entanto, como o dióxido de carbono nunca foi observado na superfície dos TNOs, a crença comum era que ele estava preso abaixo da superfície. Nossas últimas descobertas derrubam essa noção. Agora sabemos que o dióxido de carbono não está presente apenas na superfície dos TNOs. mas também é mais comum do que o gelo de água, que anteriormente pensávamos ser o material superficial mais abundante. Esta revelação muda dramaticamente a nossa compreensão da composição dos TNOs e sugere que os processos que afectam as suas superfícies são mais complexos do que imaginávamos."

Descongelando os dados

Os coautores do estudo, Elsa Hénault, estudante de doutorado no Institut d'Astrophysique Spatiale da Université Paris-Saclay e no Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, e Rosario Brunetto, supervisora ​​de Hénault, trouxeram uma perspectiva laboratorial e química para a interpretação das observações do JWST.

Hénault analisou e comparou as bandas de absorção de dióxido de carbono e monóxido de carbono em todos os objetos. Embora houvesse ampla evidência do gelo, havia uma grande diversidade em abundância e distribuição, diz Hénault.

"Embora tenhamos encontrado CO₂ por ser onipresente nos TNOs, definitivamente não está distribuído uniformemente", diz ela. "Alguns objetos são pobres em dióxido de carbono, enquanto outros são muito ricos em dióxido de carbono e apresentam monóxido de carbono. Alguns objetos exibem dióxido de carbono puro, enquanto outros o misturam com outros compostos. Ligar as características do dióxido de carbono aos parâmetros orbitais e físicos permitiu-nos concluir que as variações do dióxido de carbono são provavelmente representativas das diferentes regiões de formação dos objetos e da evolução inicial."

Através da análise, é muito provável que o dióxido de carbono estivesse presente no disco protoplanetário, no entanto, é pouco provável que o monóxido de carbono seja primordial, diz Hénault.

“O monóxido de carbono poderia ser formado de forma eficiente pelo constante bombardeio iônico proveniente do nosso sol ou de outras fontes”, diz ela. "Atualmente estamos explorando esta hipótese comparando as observações com experimentos de irradiação iônica que podem reproduzir as condições de congelamento e ionização das superfícies do TNO."

A investigação trouxe algumas respostas definitivas a questões de longa data que remontam à descoberta dos TNO há quase 30 anos, mas os investigadores ainda têm um longo caminho a percorrer, diz Hénault.

“Outras questões são levantadas agora”, diz ela. "Notavelmente, considerando a origem e evolução do monóxido de carbono. As observações em toda a faixa espectral são tão ricas que certamente manterão os cientistas ocupados nos próximos anos."

Embora as observações do programa DiSCo estejam quase concluídas, a análise e discussão dos resultados ainda têm um longo caminho a percorrer. O conhecimento fundamental obtido com o estudo provará ser um complemento importante para futuras pesquisas em ciência planetária e astronomia, diz de Prá.

“Nós apenas arranhamos a superfície da composição desses objetos e como eles surgiram”, diz ele. “Precisamos agora compreender a relação entre estes gelos com os outros compostos presentes nas suas superfícies e compreender a interação entre o seu cenário de formação, evolução dinâmica, retenção volátil e mecanismos de irradiação ao longo da história do sistema solar.”