Космические телескопы «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» впервые совместно исследовали чрезвычайно тусклые транснептуновые объекты — небольшие ледяные тела, обращающиеся вокруг Солнца дальше орбиты Нептуна. Наблюдения позволили обнаружить 27 ранее неизвестных объектов и исследовать их размеры, орбиты и цвета. Некоторые из них оказались настолько слабыми, что подобные тела до сих пор практически не удавалось изучать непосредственно.
Полученные результаты оказались важны сразу по нескольким причинам. Во-первых, маленькие транснептуновые объекты встречаются реже, чем предсказывают некоторые модели формирования планет. Во-вторых, их свойства не демонстрируют ожидаемого сильного изменения по сравнению с более крупными телами того же происхождения. Их цвета сохраняют характерные особенности соответствующих групп транснептуновых объектов, несмотря на миллиарды лет существования в далёкой части Солнечной системы.
Это означает, что некоторые из самых маленьких тел за Нептуном могут сохранять информацию о тех условиях, в которых формировались первые планетезимали — строительные блоки будущих планет. При этом речь не идёт о буквальном «запоминании» прошлого: цвет и другие наблюдаемые характеристики поверхности являются следствием состава и истории объекта. Именно поэтому эти крошечные ледяные тела представляют особый интерес для изучения ранней Солнечной системы.
Далекие остатки формирования планет
Транснептуновыми объектами называют тела, чьи орбиты расположены за орбитой Нептуна. Большинство из них очень малы и тусклы, поэтому даже мощные телескопы видят такие объекты не как подробные диски, а как точки света.
Они являются частью внешней Солнечной системы, где сохранилось большое количество древнего вещества. В отличие от планет, которые за миллиарды лет подверглись многочисленным изменениям, небольшие тела на далёких орбитах могли сохранить гораздо больше информации о ранних этапах формирования нашей планетной системы.
Когда Солнце и планеты только формировались, вокруг молодого Солнца существовал диск газа и пыли. Частицы постепенно сталкивались и объединялись, образуя всё более крупные тела. Одним из промежуточных этапов стало появление планетезималей — относительно небольших твёрдых объектов, из которых впоследствии формировались планеты.
За орбитой Нептуна этот процесс не завершился созданием крупной планеты. Поэтому там осталось большое количество ледяных тел, представляющих собой своеобразный архив ранней истории Солнечной системы.
Почему именно маленькие тела особенно интересны
Крупный объект мог претерпеть множество столкновений, нагреваться, разрушаться и вновь собираться. Его поверхность поэтому не обязательно отражает первоначальные условия формирования.
С небольшими транснептуновыми объектами ситуация может быть иной. Если их поверхность действительно мало менялась после формирования, химические и физические свойства таких тел могут сохранять информацию о первоначальной среде.
Именно поэтому обнаружение объектов размером всего в несколько километров имеет научное значение, непропорциональное их размерам. Исследователи получают возможность изучать не только современные свойства внешней Солнечной системы, но и процессы, происходившие на раннем этапе формирования планет.
Две группы транснептуновых объектов имеют разную историю
Наблюдения были направлены на две динамические популяции транснептуновых объектов, которые условно называют «холодными» и «горячими». Эти термины не означают непосредственно температуру поверхности. Они описывают свойства орбит.
«Холодные» объекты имеют сравнительно малый наклон орбиты к плоскости Солнечной системы и относительно небольшую эксцентричность. Их орбиты считаются более близкими к первоначальному расположению материала во внешней части планетного диска.
«Горячие» объекты находятся на более наклонённых и вытянутых орбитах. Их динамическая история значительно сложнее. Согласно принятой картине ранней эволюции Солнечной системы, часть таких тел могла сформироваться ближе к Солнцу, в районе между нынешними орбитами Урана и Нептуна, а затем оказаться дальше в результате миграции планет-гигантов.
Таким образом, современные орбиты этих двух групп содержат информацию о разных этапах истории внешней Солнечной системы.
«Горячие» объекты сохранили след места рождения
Особенно интересно, что динамически «горячие» тела, несмотря на существенное изменение своих орбит, по-прежнему демонстрируют характеристики, связанные с их предполагаемым происхождением.
Их орбиты могли быть сильно перестроены под воздействием гравитации планет-гигантов. Однако цветовые характеристики малых объектов сохранили закономерности, которые наблюдаются и среди более крупных представителей соответствующей популяции.
Это означает, что изменение орбиты не обязательно сопровождалось таким же сильным изменением поверхности. Тело могло переместиться на совершенно другую орбиту, но при этом сохранить состав верхнего слоя, сформировавшийся в месте его рождения.
Как удалось увидеть настолько слабые объекты
Главной технической особенностью исследования стало одновременное использование возможностей двух космических телескопов.
«Джеймс Уэбб» наблюдал участок неба в инфракрасном диапазоне и оказался способен обнаруживать чрезвычайно слабые объекты. «Хаббл» одновременно предоставил данные в видимом диапазоне, необходимые для изучения их цветов.
Такое сочетание оказалось гораздо информативнее, чем использование только одного телескопа. «Уэбб» позволил обнаружить слабые объекты, а «Хаббл» добавил данные о том, как они отражают видимый свет. Совместные наблюдения поэтому дали возможность исследовать не только сам факт существования объектов, но и их характеристики.
Наблюдения проводились на одном и том же участке неба. Это особенно важно для столь слабых целей: исследователям необходимо было сопоставить инфракрасные и оптические данные, полученные практически для одних и тех же объектов.
Почему «Уэбб» оказался особенно важен
В отдельных снимках самые слабые транснептуновые объекты практически невозможно отличить от фонового шума. Для поиска таких тел применялась специальная техника цифрового совмещения изображений с учётом движения объекта.
Поскольку транснептуновые объекты перемещаются относительно далёких звёзд, их положение на последовательных кадрах немного меняется. Если правильно сдвинуть и объединить изображения с учётом этого движения, слабый объект может проявиться даже тогда, когда в каждом отдельном кадре его сигнал практически неотличим от шума.
В результате был проведён самый глубокий на тот момент поиск транснептуновых объектов. Самый слабый обнаруженный объект имел видимую яркость, соответствующую примерно 29,3 звёздной величины в одном из инфракрасных диапазонов. Оценка его диаметра зависит от предполагаемой отражательной способности поверхности; при принятом в исследовании альбедо она составляет около 10 километров.
В объединённой программе наблюдений удалось исследовать цветовые свойства ещё более мелких тел — примерно до 5 километров в диаметре.
27 новых объектов за Нептуном
В ходе глубокого инфракрасного обзора были обнаружены 27 новых транснептуновых объектов. Это не просто увеличение каталога далёких малых тел.
Главная ценность заключается в том, что новые объекты значительно расширили область размеров, доступную для статистического исследования. До этого наблюдения преимущественно охватывали более крупные тела, тогда как совсем маленькие объекты оставались практически недоступными.
Самый маленький объект, обнаруженный в исследовании, имеет оценочный диаметр порядка нескольких километров. По приведённому авторами сравнению, его размер примерно в пять раз меньше предела обнаружения наиболее чувствительных наземных телескопов для подобных наблюдений.
Один из обнаруженных объектов был настолько тусклым, что для наглядного сравнения его сигнал сопоставили с возможностью увидеть с Земли небольшую группу светлячков на Луне. Это не означает, что объект буквально излучает такой же свет, как светлячки: сравнение предназначено для демонстрации чрезвычайно слабого сигнала, который удалось зарегистрировать.
Маленькие тела сохранили цвета более крупных объектов
Одним из наиболее интересных результатов стало отсутствие ожидаемого сильного изменения цветовых характеристик при переходе к самым маленьким объектам.
До наблюдений существовала понятная физическая причина ожидать обратного. Маленькие тела должны быть более чувствительны к последствиям столкновений, поскольку даже сравнительно небольшое столкновение может разрушить значительную часть их поверхности.
Если поверхность многократно разрушалась и обновлялась, цвет и состав маленьких объектов могли бы заметно отличаться от более крупных тел той же популяции.
Но наблюдения этого не показали.
И холодная, и горячая популяции демонстрируют цветовые закономерности, сходные с теми, которые уже известны по более крупным объектам. Это указывает на то, что поверхностный материал маленьких тел либо подвергался столкновениям значительно меньше, чем предполагалось, либо каким-то образом сохранял исходные свойства даже после разрушительных событий.
Цвет здесь является не просто внешним признаком
Для далёкого транснептунового объекта астроном не может взять образец грунта или непосредственно измерить его минералогический состав. Поэтому цвет и отражение света становятся косвенными индикаторами свойств поверхности.
Разные вещества и смеси веществ по-разному отражают свет на различных длинах волн. Поэтому сравнение яркости объекта в нескольких диапазонах позволяет выявлять различия между поверхностями.
Это не означает, что по цвету можно однозначно определить конкретное вещество. Цвет является косвенным признаком, который необходимо сопоставлять с моделями и другими наблюдениями. Но для статистического сравнения больших групп объектов он оказывается очень полезен.
Именно благодаря сочетанию инфракрасных наблюдений «Уэбба» и оптических данных «Хаббла» исследователи смогли проверить, сохраняются ли различия между динамическими популяциями на самых малых размерах.
Почему ожидались более сильно изменённые поверхности
Столкновения являются естественной частью эволюции малых тел. В ранней Солнечной системе количество объектов было значительно больше, а их относительные скорости могли приводить к многочисленным столкновениям.
Разрушение и последующее перераспределение вещества должно было менять верхние слои поверхности. В зависимости от состава и энергии столкновения на поверхности могли появляться свежие участки, а старый материал мог удаляться.
Поэтому логично было предположить, что самые маленькие транснептуновые объекты, которые легче разрушить, будут сильнее отличаться от крупных тел.
Однако наблюдения не обнаружили такого простого эффекта. Малые объекты сохранили те же основные цветовые закономерности, что и их более крупные родственники. Это означает, что история столкновений внешней Солнечной системы может отличаться от некоторых упрощённых представлений или что поверхность способна сохранять исходные свойства дольше, чем ожидалось.
Пока нельзя однозначно сказать, какое именно объяснение является правильным. Авторы исследований рассматривают несколько возможностей, включая меньшее число столкновений, чем предполагают некоторые сценарии, и сохранение первичного состава материала.
Самых маленьких тел оказалось меньше, чем ожидалось
Второй важный результат относится уже не к цвету, а к количеству объектов разных размеров.
Исследователи построили распределение транснептуновых объектов по яркости и размерам и обнаружили меньше очень маленьких тел, чем предсказывают некоторые модели формирования планетезималей.
Это не означает, что маленьких объектов в Солнечной системе действительно мало в абсолютном смысле. Их всё равно должно быть огромное количество, просто наблюдаемое распределение показывает меньшую долю наиболее мелких тел, чем некоторые теоретические сценарии предполагали ранее.
Причём это относится к обеим исследованным динамическим популяциям.
Похожие распределения у двух разных популяций
Особенно интересным оказалось то, что распределения размеров «холодных» и «горячих» объектов оказались удивительно похожими.
Это примечательно потому, что предполагаемые области формирования этих тел и их последующая динамическая история различались. Если условия в исходном протопланетном диске сильно влияли на процесс формирования планетезималей, можно было ожидать заметного различия в распределении размеров.
Но обнаруженная картина этого не показывает. В пределах изученного диапазона две популяции демонстрируют сходные закономерности.
Это позволяет предположить, что механизм формирования первых планетезималей мог быть менее чувствителен к локальным условиям диска, чем считалось в некоторых моделях.
При этом само наблюдение не определяет конкретный механизм образования планетезималей. Оно задаёт ограничение для теоретических моделей: успешная модель должна объяснять, почему объекты, сформировавшиеся в разных условиях, могли получить сходное распределение размеров.
Что результаты говорят о рождении планетезималей
Планетезимали являются важным промежуточным этапом формирования планет. Из первоначального диска пыли и газа должны были возникнуть достаточно крупные твёрдые тела, способные затем объединяться в более массивные объекты.
Вопрос о том, как именно образовались первые планетезимали, остаётся одной из важных проблем планетологии. Существует несколько механизмов и последовательностей процессов, способных привести от мелких частиц к телам километрового и большего размера.
Новые наблюдения предоставляют для таких моделей дополнительное ограничение.
Если распределение размеров оказалось сходным в двух популяциях, которые, вероятно, формировались в разных частях раннего диска, это указывает на то, что конечный результат процесса образования планетезималей мог быть относительно устойчив к различиям локальных условий. Исследователи рассматривают это как свидетельство в пользу сценариев, при которых образование планетезималей происходило быстро и при этом сохраняло исходные различия состава между регионами. Однако сами наблюдения не доказывают конкретный механизм.
Что означает «сохранённая память» Солнечной системы
Выражение о том, что маленькие тела «помнят прошлое», является удобным научно-популярным образом. Разумеется, речь не идёт о какой-либо способности объектов хранить информацию в буквальном смысле.
Под «памятью» подразумевается сохранение физических свойств, возникших на раннем этапе формирования Солнечной системы.
Если состав поверхности небольшого тела мало изменился за миллиарды лет, его нынешний цвет и отражательные характеристики могут быть связаны с условиями, существовавшими при его формировании. В этом случае наблюдая современный объект, исследователи получают косвенную информацию о древней среде.
Особенно интересно это для динамически «горячих» объектов. Их орбиты могли существенно измениться из-за взаимодействия с планетами-гигантами, однако цветовые свойства по-прежнему указывают на различия между популяциями.
Получается своеобразное разделение истории объекта на две части: его орбита может рассказывать о последующей динамической эволюции, а поверхность — сохранять сведения о месте и условиях формирования.
Почему это важно для понимания внешней Солнечной системы
Внешняя часть Солнечной системы представляет собой естественную лабораторию для изучения раннего планетного диска. Там сохранилось большое количество небольших ледяных тел, которые не стали планетами и не подверглись столь масштабной переработке, как Земля или другие крупные миры.
Изучая их распределение, размеры, орбиты и свойства поверхности, астрономы могут проверять модели миграции планет-гигантов и формирования малых тел.
Особенно важно сопоставлять разные группы объектов. Если тела, находившиеся в разных регионах ранней Солнечной системы, сегодня демонстрируют сходные распределения размеров, это ограничивает возможные сценарии их формирования.
Если же при этом они сохраняют разные цветовые характеристики, связанные с их происхождением, появляется возможность одновременно изучать процессы формирования вещества и последующее гравитационное перемещение объектов.
Именно сочетание этих двух типов информации делает малые транснептуновые объекты особенно ценными.
Телескопы увидели тела, недоступные наземным наблюдениям
Одним из наиболее практических результатов работы стало существенное расширение наблюдаемого диапазона размеров.
Самые чувствительные наземные телескопы ограничены не только диаметром зеркала. Наблюдения с Земли приходится проводить через атмосферу, которая ухудшает качество изображения и вносит дополнительный фон.
Космические телескопы лишены этого ограничения. «Уэбб» дополнительно обладает высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне, а «Хаббл» предоставляет высококачественные наблюдения в видимом свете.
Вместе они позволяют исследовать очень слабые и удалённые цели. В данном случае это привело к обнаружению объектов диаметром всего в несколько километров, находящихся на огромном расстоянии от Солнца.
Причём обнаружение таких тел является только первым этапом. Для построения статистической картины необходимо найти достаточно большое количество объектов и определить, какие из них принадлежат к разным динамическим группам.
Именно поэтому 27 новых объектов имеют значение не только как отдельные открытия, но и как дополнительная выборка для исследования распределения малых тел.
Что пока остаётся неизвестным
Несмотря на новые результаты, исследование не даёт полного ответа на вопрос о судьбе маленьких транснептуновых объектов.
Во-первых, необходимо понять, почему их оказалось меньше, чем предсказывают некоторые модели. Возможны различия в первоначальном процессе формирования, последующая потеря объектов из системы или влияние столкновений. Наблюдаемое распределение само по себе не позволяет полностью разделить эти варианты.
Во-вторых, остаётся вопрос о столкновениях. Если маленькие тела действительно пережили меньше разрушительных событий, чем предполагалось, необходимо объяснить причины этого. Если же столкновения происходили часто, нужно понять, почему они не стерли различия в свойствах поверхности.
В-третьих, текущая выборка всё ещё ограничена небольшим участком неба. Поэтому результаты необходимо проверять на более крупных выборках и в других областях внешней Солнечной системы.
Наконец, цвет является лишь косвенным показателем состава. Для более точного определения природы вещества нужны дополнительные наблюдения в широком диапазоне длин волн и дальнейшее развитие моделей поверхностей транснептуновых объектов.
Следующий шаг — искать ещё больше маленьких миров
Полученные результаты показывают, насколько много информации может скрываться в самых слабых объектах внешней Солнечной системы. Но для окончательных выводов необходимо значительно увеличить статистику.
Будущие глубокие обзоры смогут обнаружить больше малых транснептуновых объектов и проверить, действительно ли дефицит самых маленьких тел характерен для всей исследуемой популяции или связан с особенностями конкретного участка неба.
Более крупные выборки также позволят точнее сравнивать «горячие» и «холодные» объекты, исследовать зависимость их свойств от размеров и лучше восстанавливать динамическую историю внешней Солнечной системы.
Совместные наблюдения в оптическом и инфракрасном диапазонах при этом останутся особенно ценными. Один телескоп позволяет обнаруживать и измерять свойства объектов в своём диапазоне, а другой добавляет независимую информацию. В результате исследователи получают более полную картину, чем при использовании любого из инструментов по отдельности.
Крошечные объекты как архив рождения Солнечной системы
Новые наблюдения показывают, что самые маленькие доступные для изучения транснептуновые объекты могут быть значительно более «древними» с точки зрения сохранения их исходных характеристик, чем можно было ожидать.
Их орбиты могли меняться, некоторые тела могли подвергаться столкновениям, а внешняя Солнечная система за миллиарды лет претерпела серьёзную динамическую перестройку. Тем не менее цветовые свойства малых объектов по-прежнему соответствуют закономерностям, характерным для их более крупных родственников.
Одновременно наблюдаемое количество очень маленьких тел оказалось ниже, чем предсказывают некоторые модели, а две разные динамические популяции демонстрируют сходное распределение размеров. Это даёт новые ограничения на теории формирования планетезималей и ранней эволюции внешней Солнечной системы.
По сути, «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» смогли заглянуть в тот диапазон размеров, где до сих пор почти не было наблюдательных данных. И именно там обнаружились важные особенности: крошечные ледяные тела не выглядят сильно переработанными по сравнению с более крупными, а их количество заставляет пересматривать некоторые представления о том, сколько малых планетезималей должно было образоваться.
Внешняя Солнечная система поэтому оказывается не просто далёкой коллекцией холодных астероидов и карликовых планет. Это сохранившийся фрагмент древнего планетного диска, по которому можно восстанавливать процессы, происходившие ещё до появления современных планет. А самые маленькие тела, несмотря на чрезвычайно слабый свет, могут оказаться одними из наиболее ценных свидетелей этой эпохи.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
