Por primera vez, se han observado hielos de dióxido y monóxido de carbono en los confines de nuestro sistema solar en objetos transneptunianos (TNO).
Un equipo de investigación, dirigido por los científicos planetarios Mário Nascimento De Prá y Noemí Pinilla-Alonso del Instituto Espacial de Florida (FSI) de la Universidad de Florida Central, realizó los hallazgos utilizando las capacidades espectrales infrarrojas del Telescopio Espacial James Webb (JWST) para analizar la composición química de 59 objetos transneptunianos y centauros.
El estudio pionero, publicado esta semana en Nature Astronomy , sugiere que el hielo de dióxido de carbono abundaba en las frías regiones exteriores del disco protoplanetario, el vasto disco giratorio de gas y polvo a partir del cual se formó el sistema solar. Se necesita más investigación para comprender los orígenes del hielo de monóxido de carbono, ya que también prevalece en los TNO del estudio.
Los investigadores informaron de la detección de dióxido de carbono en 56 TNO y monóxido de carbono en 28 (más seis con detecciones dudosas o marginales), de una muestra de 59 objetos observados con el JWST. Según el estudio, el dióxido de carbono estaba muy extendido en las superficies de la población transneptuniana, independientemente de la clase dinámica y el tamaño corporal, mientras que el monóxido de carbono se detectó sólo en objetos con una alta abundancia de dióxido de carbono.
El trabajo es parte del programa Descubriendo las composiciones superficiales de objetos transneptunianos (DiSCo-TNOs), dirigido por la UCF, uno de los programas JWST centrado en analizar nuestro sistema solar.
"Es la primera vez que observamos esta región del espectro para una gran colección de TNO, por lo que, en cierto sentido, todo lo que vimos fue emocionante y único", dice de Prá, coautor del estudio. "No esperábamos encontrar que el dióxido de carbono fuera tan omnipresente en la región de TNO, y menos aún que el monóxido de carbono estuviera presente en tantos TNO".
El descubrimiento de los hielos puede ayudarnos aún más a comprender la formación de nuestro sistema solar y cómo los objetos celestes pueden haber migrado, afirma.
"Los objetos transneptunianos son reliquias del proceso de formación planetaria", afirma de Prá. "Estos hallazgos pueden imponer importantes limitaciones sobre dónde se formaron estos objetos, cómo llegaron a la región que habitan hoy en día y cómo evolucionaron sus superficies desde su formación. Debido a que se formaron a mayores distancias del Sol y son más pequeños que los planetas, contienen la información prístina sobre la composición original del disco protoplanetario."
La sonda New Horizons observó hielo de monóxido de carbono en Plutón, pero no fue hasta que JWST hubo un observatorio lo suficientemente potente como para identificar y detectar rastros de hielo de monóxido de carbono o hielo de dióxido de carbono en la población más grande de TNO.
El dióxido de carbono se encuentra comúnmente en muchos objetos de nuestro sistema solar. Entonces, el equipo de DiSCo tenía curiosidad por ver si existía en mayores cantidades más allá del alcance de Neptuno.
Las posibles razones de la falta de detecciones previas de hielo de dióxido de carbono en TNO incluyen una menor abundancia, dióxido de carbono no volátil que queda enterrado bajo capas de otros hielos menos volátiles y material refractario con el tiempo, conversión en otras moléculas mediante irradiación y simples limitaciones de observación. , según el estudio.
El descubrimiento de dióxido de carbono y monóxido de carbono en los TNO proporciona cierto contexto y al mismo tiempo plantea muchas preguntas, afirma de Prá.
"Aunque el dióxido de carbono probablemente se haya acumulado en el disco protoplanetario, el origen del monóxido de carbono es más incierto", afirma. "Este último es un hielo volátil incluso en las superficies frías de los TNO. No podemos descartar que el monóxido de carbono se haya acumulado primordialmente y de alguna manera se haya retenido hasta la fecha. Sin embargo, los datos sugieren que podría ser producido por la irradiación de hielos que contienen carbono."
Confirmar la presencia de dióxido de carbono y monóxido de carbono en los TNO abre muchas oportunidades para estudiar más a fondo y cuantificar cómo o por qué está presente, afirma Pinilla-Alonso, quien también es coautor del estudio y dirige el programa DiSCo-TNO.
"El descubrimiento de dióxido de carbono en objetos transneptunianos fue emocionante, pero aún más fascinantes fueron sus características", afirma. "La huella espectral del dióxido de carbono reveló dos composiciones superficiales distintas dentro de nuestra muestra. En algunos TNO, el dióxido de carbono se mezcla con otros materiales como metanol, agua helada y silicatos. Sin embargo, en otro grupo, donde el dióxido de carbono y el monóxido de carbono son los principales componentes de la superficie:la firma espectral fue sorprendentemente única. Esta marcada huella de dióxido de carbono no se parece a nada observado en otros cuerpos del sistema solar o incluso replicado en entornos de laboratorio".
Ahora parece claro que cuando el dióxido de carbono es abundante, aparece aislado de otros materiales, pero esto por sí solo no explica la forma de la banda, dice Pinilla-Alonso. Comprender estas bandas de dióxido de carbono es otro misterio, probablemente relacionado con sus propiedades ópticas únicas y cómo reflejan o absorben colores específicos de luz, dice.
Se teorizó comúnmente que quizás el dióxido de carbono podría estar presente en los TNO, ya que el dióxido de carbono existe en estado gaseoso en los cometas, que son comparables en composición, dice Pinilla-Alonso.
"En los cometas, observamos el dióxido de carbono como un gas, liberado por la sublimación del hielo sobre o justo debajo de la superficie", dice. "Sin embargo, dado que nunca se había observado dióxido de carbono en la superficie de los TNO, la creencia común era que estaba atrapado debajo de la superficie. Nuestros últimos hallazgos echan por tierra esta noción. Ahora sabemos que el dióxido de carbono no sólo está presente en la superficie de los TNO. pero también es más común que el hielo de agua, que anteriormente pensábamos que era el material superficial más abundante. Esta revelación cambia dramáticamente nuestra comprensión de la composición de los TNO y sugiere que los procesos que afectan sus superficies son más complejos de lo que pensábamos.>
Las coautoras del estudio, Elsa Hénault, estudiante de doctorado en el Institut d'Astrophysique Spatiale de la Universidad Paris-Saclay y el Centro Nacional Francés de Investigación Científica, y Rosario Brunetto, supervisora de Hénault, aportaron una perspectiva química y de laboratorio a la interpretación de las observaciones del JWST.
Hénault analizó y comparó las bandas de absorción de dióxido de carbono y monóxido de carbono en todos los objetos. Si bien había amplia evidencia del hielo, había una gran diversidad en abundancia y distribución, dice Hénault.
"Aunque encontramos CO2 Aunque es omnipresente en todos los TNO, definitivamente no está distribuido uniformemente", afirma. "Algunos objetos son pobres en dióxido de carbono, mientras que otros son muy ricos en dióxido de carbono y muestran monóxido de carbono. Algunos objetos muestran dióxido de carbono puro mientras que otros lo tienen mezclado con otros compuestos. Vincular las características del dióxido de carbono con parámetros orbitales y físicos nos permitió concluir que las variaciones del dióxido de carbono probablemente sean representativas de las diferentes regiones de formación y evolución temprana de los objetos".
A través del análisis, es muy probable que el dióxido de carbono estuviera presente en el disco protoplanetario, sin embargo, es poco probable que el monóxido de carbono sea primordial, dice Hénault.
"El monóxido de carbono podría formarse de manera eficiente mediante el constante bombardeo de iones provenientes de nuestro sol u otras fuentes", dice. "Actualmente estamos explorando esta hipótesis comparando las observaciones con experimentos de irradiación de iones que pueden reproducir las condiciones de congelación e ionización de las superficies de TNO."
La investigación aportó algunas respuestas definitivas a preguntas de larga data que se remontan al descubrimiento de los TNO hace casi 30 años, pero a los investigadores todavía les queda un largo camino por recorrer, afirma Hénault.
"Ahora surgen otras cuestiones", afirma. "En particular, teniendo en cuenta el origen y la evolución del monóxido de carbono, las observaciones en todo el rango espectral son tan ricas que definitivamente mantendrán ocupados a los científicos durante los próximos años".
Aunque las observaciones del programa DiSCo están llegando a su fin, el análisis y la discusión de los resultados todavía tienen un largo camino por recorrer. El conocimiento fundamental adquirido a partir del estudio demostrará ser un complemento importante para futuras investigaciones en ciencia planetaria y astronomía, afirma de Prá.
"Sólo hemos arañado la superficie de de qué están hechos estos objetos y cómo surgieron", afirma. "Ahora necesitamos comprender la relación entre estos hielos con otros compuestos presentes en sus superficies y comprender la interacción entre su escenario de formación, evolución dinámica, retención de volátiles y mecanismos de irradiación a lo largo de la historia del sistema solar".
