Lo studio dei corpi più esterni del Sistema Solare esterno è uno dei tanti obiettivi della missione JWST. Queste osservazioni hanno ottenuto rilevamenti interessanti sulle orbite e composizioni, inclusi idrocarburi leggeri e molecole organiche complesse che si ritiene siano il prodotto dell'irradiazione del metano.

La fascia di Kuiper, la vasta regione ai margini del nostro Sistema Solare popolata da innumerevoli oggetti ghiacciati, è un obiettivo scientifico importante per gli scienziati. Il rilevamento e la caratterizzazione degli oggetti che la popolano, detti KBO (Kuiper belt object), a volte indicati come oggetti transnettuniani (TNO), ha portato a una nuova comprensione della storia del nostro piccolo quartiere cosmico.

Questa ricerca è stata guidata da Joshua Emery, professore di astronomia e scienze planetarie presso la Northern Arizona University. Con lui, i ricercatori del Goddard Space Flight Center (GSFC) della NASA, dell'Institut d'Astrophisique Spatiale (Université Paris-Saclay), del Pinhead Institute, del Florida Space Institute (Università della Florida Centrale), dell'Osservatorio Lowell, del Southwest Research Institute (SwRI), Space Telescope Science Institute (STScI), American University. e la Cornell University. Una prestampa dell'articolo è stata anticipata online ed è in fase di revisione per la pubblicazione sulla rivista Icarus.

 

Un luogo inesplorato

Nonostante i progressi tecnologici dei grandi telescopi e missioni robotiche sempre più ardite, la fascia di Kuiper rimane ancora un luogo inesplorato. Ad oggi, la sonda Voyager 2 della NASA rimane l'unica ad aver studiato Urano, Nettuno e le loro lune principali, nel 1986 e nel 1989 rispettivamente. La missione New Horizons è stata la prima navicella spaziale a studiare Plutone e i suoi satelliti nel luglio 2015 e l'unica a incontrare un oggetto nella fascia di Kuiper, Arrokoth, l'1 gennaio 2019.

Questo è uno dei tanti motivi per cui gli astronomi hanno atteso con impazienza il lancio del JWST. Oltre a studiare gli esopianeti e le prime galassie dell'Universo, le sue potenti capacità di imaging a infrarossi sono state rivolte anche ai confini del nostro sistema stellare.

Per il nuovo studio, Emery e i colleghi hanno consultato i dati nel vicino infrarosso ottenuti da Webb di tre planetoidi nella cintura di Kuiper: Sedna, Gonggong e Quaoar. Questi corpi hanno un diametro di circa 1.000 chilometri, il che li colloca nella designazione IAU di "pianeti nani".

spettri Sedna Gonggong Quaoa

Crediti: Emery, J.P. et al. (2023)

 

Alla ricerca di volatili

Alcuni oggetti transnettuniani, come Plutone, Eris, Haumea e Makemake, hanno tutti mantenuto ghiacci volatili sulle loro superfici (azoto, metano, ecc.). Al contrario, Haumea, che potrebbe aver perso i suoi volatili a seguito di un grande impatto, sembra un'eccezione. Il team voleva vedere se anche Sedna, Gonggong e Quaoar avessero sostanze volatili simili sulle loro superfici:

 "Sebbene abbiano tutti dimensioni più o meno simili, le loro orbite sono distinte. Sedna è un oggetto interno della nube di Oort con perielio di 76 UA e afelio di quasi 1.000 UA, anche Gonggong è in un'orbita molto ellittica, con perielio di 33 UA e afelio di circa 100 UA e Quaoar è in un'orbita relativamente circolare vicino a 43 UA . Queste orbite collocano i corpi in diversi regimi di temperatura e diversi ambienti di irradiazione (Sedna, ad esempio, trascorre la maggior parte del suo tempo al di fuori dell’eliosfera del Sole). Volevamo studiare come queste diverse orbite potessero influenzare le superfici. Ci sono anche altri ghiacci interessanti e sostanze organiche complesse sulle superfici", ha detto Emery.

Utilizzando i dati dello strumento NIRSpec di Webb, il team ha osservato tutti e tre i corpi a bassa risoluzione a lunghezze d’onda comprese tra 0,7 e 5,2 micrometri (μm), nella gamma del vicino infrarosso. Ulteriori osservazioni sono state effettuate su Quaoar da 0,97 a 3,16 µm utilizzando reticoli a media risoluzione dieci volte superiori alla risoluzione spettrale. Gli spettri risultanti hanno rivelato alcuni dettagli interessanti su questi TNO e sulle composizioni superficiali. Emery ha detto:

Abbiamo trovato abbondante etano (C2H6) su tutti e tre i corpi, soprattutto su Sedna. Sedna mostra anche acetilene (C2H2) ed etilene (C2H4). Le abbondanze sono correlate con l'orbita (la maggior parte su Sedna, meno su Gonggong, meno su Quaoar), che è coerente con le temperature relative e gli ambienti di irradiazione. Queste molecole sono prodotti dell'irradiazione diretta del metano (CH4). Se l’etano (o gli altri) fossero rimasti sulle superfici per molto tempo, sarebbero stati convertiti in molecole ancora più complesse mediante irradiazione. Dal momento che li vediamo ancora, sospettiamo che il metano (CH4) debba essere rifornito alle superfici abbastanza regolarmente”.

Questi risultati sono coerenti con quelli presentati in un paio di studi recenti condotti dal dottor Will Grundy, un astronomo dell’Osservatorio Lowell e co-ricercatore della missione New Horizons della NASA, e Chris Glein, scienziato planetario e geochimico dello SwRI. Questo team ha misurato i rapporti deuterio/idrogeno (D/H) nel metano su Eris e Makemake, concludendo che il metano non può essere primordiale ma deve essere lavorato dall'interno e rilasciato in superficie.
"Suggeriamo che lo stesso potrebbe essere vero per Sedna, Gonggong e Quaoar", ha detto Emery. “Vediamo anche che gli spettri di Sedna, Gonggong e Quaoar sono distinti da quelli dei KBO più piccoli". "Questo risultato è coerente con il fatto che i nostri tre corpi più grandi hanno una storia geotermica diversa”.

Questi risultati, ha detto Emery, dimostrano anche che tipo di processi evolutivi sono in atto per i corpi in questa regione:
L’implicazione principale potrebbe essere quella di trovare la dimensione alla quale i KBO sono diventati abbastanza caldi per il ritrattamento interno dei ghiacci primordiali, forse anche per la differenziazione. Dovremmo anche essere in grado di utilizzare questi spettri per comprendere meglio il processo di irradiazione dei ghiacci superficiali nel Sistema Solare esterno. E gli studi futuri saranno anche in grado di esaminare più in dettaglio la stabilità volatile e la possibilità che si formino atmosfere su questi corpi su qualsiasi parte delle loro orbite”.