Tecnologia Científica
Webb oferece o melhor vislumbre de planetesimais gelados do início do sistema solar
Novos estudos liderados por pesquisadores da Universidade da Flórida Central oferecem pela primeira vez uma imagem mais clara de como o sistema solar externo se formou e evoluiu com base em análises de objetos transnetunianos (TNOs) e centauros.
Por
Robert Wells - 20/12/2024
Representação artística da distribuição de objetos transnetunianos no disco planetesimal, com espectros representativos sobrepostos de cada grupo composicional destacando as moléculas dominantes em suas superfícies. Crédito: Arte gráfica de William D. González Sierra para o Florida Space Institute, University of Central Florida.
Novos estudos liderados por pesquisadores da Universidade da Flórida Central oferecem pela primeira vez uma imagem mais clara de como o sistema solar externo se formou e evoluiu com base em análises de objetos transnetunianos (TNOs) e centauros.
As descobertas, publicadas hoje na Nature Astronomy, revelam a distribuição de gelo no início do sistema solar e como os TNOs evoluem quando viajam para dentro da região dos planetas gigantes entre Júpiter e Saturno, tornando-se centauros.
TNOs são corpos pequenos, ou "planetesimais", orbitando o sol além de Plutão. Eles nunca se agregaram em planetas e servem como cápsulas do tempo imaculadas, preservando evidências cruciais dos processos moleculares e migrações planetárias que moldaram o sistema solar bilhões de anos atrás. Esses objetos do sistema solar são como asteroides gelados e têm órbitas comparáveis ou maiores que a órbita de Netuno.
Antes do novo estudo liderado pela UCF, sabia-se que os TNOs eram uma população diversa com base em suas propriedades orbitais e cores de superfície , mas a composição molecular desses objetos permanecia mal compreendida. Por décadas, essa falta de conhecimento detalhado atrapalhou a interpretação de sua cor e diversidade dinâmica. Agora, os novos resultados desvendam a questão de longa data da interpretação da diversidade de cores ao fornecer informações composicionais.
"Com esta nova pesquisa, uma imagem mais completa da diversidade é apresentada e as peças do quebra-cabeça estão começando a se juntar", diz Noemí Pinilla-Alonso, principal autora do estudo.
"Pela primeira vez, identificamos as moléculas específicas responsáveis pela notável diversidade de espectros, cores e albedo observados em objetos transnetunianos", diz Pinilla-Alonso. "Essas moléculas — como gelo de água , dióxido de carbono, metanol e compostos orgânicos complexos — nos dão uma conexão direta entre as características espectrais dos TNOs e suas composições químicas."
Usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), os pesquisadores descobriram que os TNOs podem ser categorizados em três grupos composicionais distintos, moldados por linhas de retenção de gelo que existiam na época em que o sistema solar se formou, bilhões de anos atrás.
Essas linhas são identificadas como regiões onde as temperaturas eram frias o suficiente para que gelos específicos se formassem e sobrevivessem dentro do disco protoplanetário. Essas regiões, definidas por sua distância do sol, marcam pontos-chave no gradiente de temperatura do sistema solar inicial e oferecem um elo direto entre as condições de formação de planetesimais e suas composições atuais.
Rosario Brunetto, o segundo autor do artigo e pesquisador do Centre National de la Recherche Scientifique no Institute d'Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), diz que os resultados são a primeira conexão clara entre a formação de planetesimais no disco protoplanetário e sua evolução posterior. O trabalho lança luz sobre como as distribuições espectrais e dinâmicas observadas hoje emergiram em um sistema planetário que é moldado por uma evolução dinâmica complexa, ele diz.
"Os grupos composicionais de TNOs não são distribuídos uniformemente entre objetos com órbitas similares", diz Brunetto. "Por exemplo, clássicos frios, que se formaram nas regiões mais externas do disco protoplanetário, pertencem exclusivamente a uma classe dominada por metanol e compostos orgânicos complexos. Em contraste, TNOs em órbitas ligadas à nuvem de Oort, que se originaram mais perto dos planetas gigantes, são todos parte do grupo espectral caracterizado por gelo de água e silicatos."
Brittany Harvison, uma estudante de doutorado em física da UCF que trabalhou no projeto enquanto estudava com Pinilla-Alonso, diz que os três grupos definidos por suas composições de superfície exibem qualidades que sugerem a estrutura composicional do disco protoplanetário.
"Isso reforça nossa compreensão do material disponível que ajudou a formar corpos externos do sistema solar, como os gigantes gasosos e suas luas, ou Plutão e os outros habitantes da região transnetuniana", diz ela.
Em um estudo complementar de centauros publicado na mesma edição da Nature Astronomy , os pesquisadores encontraram assinaturas espectrais únicas, diferentes dos TNOs, que revelam a presença de mantos de rególito empoeirados em suas superfícies.
Essa descoberta sobre centauros, que são TNOs que mudaram suas órbitas para a região dos planetas gigantes após um encontro gravitacional próximo com Netuno, ajuda a esclarecer como os TNOs se tornam centauros à medida que se aquecem ao se aproximarem do Sol e, às vezes, desenvolvem caudas semelhantes às de cometas.
O trabalho deles revelou que todas as superfícies observadas dos centauros apresentaram características especiais quando comparadas com as superfícies dos TNOs, sugerindo que modificações ocorreram como consequência de sua jornada para o sistema solar interno.
Entre as três classes de tipos de superfície de TNO, duas — Bowl e Cliff — foram observadas na população de centauros, ambas pobres em gelo volátil, diz Pinilla-Alonso.
Entretanto, nos centauros, essas superfícies apresentam uma característica distintiva: elas são cobertas por uma camada de regolito empoeirado misturado ao gelo, diz ela.
"Curiosamente, identificamos uma nova classe de superfície, inexistente entre os TNOs, que se assemelha a superfícies pobres em gelo no sistema solar interno, núcleos de cometas e asteroides ativos", diz ela.
Javier Licandro, pesquisador sênior do Instituto de Astrofísica de Canárias (IAC, Tenerife, Espanha) e principal autor do trabalho do centauro, diz que a diversidade espectral observada nos centauros é mais ampla do que o esperado, sugerindo que os modelos existentes de sua evolução térmica e química podem precisar de refinamento.
Por exemplo, a variedade de assinaturas orgânicas e o grau de efeitos de irradiação observados não foram totalmente previstos, diz Licandro.
"A diversidade detectada nas populações de centauros em termos de água, poeira e compostos orgânicos complexos sugere origens variadas na população de TNO e diferentes estágios evolutivos, destacando que os centauros não são um grupo homogêneo, mas sim objetos dinâmicos e transicionais", diz Licandro.
"Os efeitos da evolução térmica observados na composição da superfície dos centauros são essenciais para estabelecer a relação entre os TNOs e outras populações de corpos pequenos, como os satélites irregulares dos planetas gigantes e seus asteroides troianos."
O coautor do estudo, Charles Schambeau, cientista planetário do Instituto Espacial da Flórida (FSI) da UCF, especializado no estudo de centauros e cometas , enfatizou a importância das observações e que alguns centauros podem ser classificados nas mesmas categorias dos TNOs observados pelo DiSCo.
"Isso é bem profundo porque quando um TNO faz a transição para um centauro, ele experimenta um ambiente mais quente onde gelos e materiais de superfície são alterados", diz Schambeau. "Aparentemente, porém, em alguns casos as mudanças de superfície são mínimas, permitindo que centauros individuais sejam vinculados à sua população TNO parental. Os tipos espectrais TNO versus centauro são diferentes, mas semelhantes o suficiente para serem vinculados."
Como a pesquisa foi realizada
Os estudos são parte do projeto Discovering the Surface Composition of the trans-Neptunian Objects, (DiSCo), liderado por Pinilla-Alonso, para descobrir a composição molecular dos TNOs. Pinilla-Alonso é agora um distinto professor do Instituto de Ciência e Tecnologia Espacial em Astúrias na Universidad de Oviedo e realizou o trabalho como cientista planetário com a FSI.
Para os estudos, os pesquisadores usaram o JWST, lançado há quase três anos, que forneceu visões sem precedentes da diversidade molecular das superfícies dos TNOs e centauros por meio de observações no infravermelho próximo, superando as limitações das observações terrestres e de outros instrumentos disponíveis.
Para o estudo dos TNOs, os pesquisadores mediram os espectros de 54 TNOs usando o JWST, capturando padrões de luz detalhados desses objetos. Ao analisar esses espectros de alta sensibilidade, os pesquisadores puderam identificar moléculas específicas em sua superfície. Usando técnicas de agrupamento, os TNOs foram categorizados em três grupos distintos com base em suas composições de superfície. Os grupos foram apelidados de "Bowl", "Double-dip" e "Cliff" devido às formas de seus padrões de absorção de luz.
Eles descobriram que:
- TNOs do tipo tigela constituíram 25% da amostra e foram caracterizados por fortes absorções de gelo de água e uma superfície empoeirada. Eles mostraram sinais claros de gelo de água cristalino e tinham baixa refletividade, indicando a presença de materiais escuros e refratários.
- Os TNOs de dupla imersão representaram 43% da amostra e apresentaram fortes bandas de dióxido de carbono (CO 2 ) e alguns sinais de compostos orgânicos complexos.
- Os TNOs do tipo penhasco representaram 32% da amostra e apresentaram fortes sinais de compostos orgânicos complexos, metanol e moléculas contendo nitrogênio, além de serem os de cor mais avermelhada.
Para o estudo dos centauros, os pesquisadores observaram e analisaram os espectros de refletância de cinco centauros (52872 Okyrhoe, 3253226 Thereus, 136204, 250112 e 310071). Isso permitiu que eles identificassem as composições de superfície dos centauros, revelando considerável diversidade entre a amostra observada.
Eles descobriram que Thereus e 2003 WL7 pertencem ao tipo Bowl, enquanto 2002 KY14 pertence ao tipo Cliff. Os dois centauros restantes, Okyrhoe e 2010 KR59, não se encaixavam em nenhuma classe espectral existente e foram categorizados como "tipo raso" devido aos seus espectros únicos. Este grupo recém-definido é caracterizado por uma alta concentração de poeira primitiva, semelhante a um cometa, e pouco ou nenhum gelo volátil.
Pesquisa anterior e próximos passos
Pinilla-Alonso diz que pesquisas anteriores do DiSCo revelaram a presença de óxidos de carbono disseminados nas superfícies dos TNOs , o que foi uma descoberta significativa.
"Agora, construímos sobre essa descoberta oferecendo uma compreensão mais abrangente das superfícies de TNO", ela diz. "Uma das grandes descobertas é que o gelo de água, antes considerado o gelo de superfície mais abundante, não é tão prevalente quanto antes assumimos. Em vez disso, o dióxido de carbono (CO?) — um gás na temperatura da Terra — e outros óxidos de carbono, como o supervolátil monóxido de carbono (CO), são encontrados em um número maior de corpos."
As descobertas do novo estudo são apenas o começo, diz Harvison.
"Agora que temos informações gerais sobre os grupos composicionais identificados, temos muito mais a explorar e descobrir", ela diz. "Como uma comunidade, podemos começar a explorar as especificidades do que produziu os grupos como os vemos hoje."
Mais informações: Noemí Pinilla-Alonso et al, Um retrato JWST/DiSCo-TNOs do Sistema Solar primordial através de seus objetos transnetunianos, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02433-2
Javier Licandro et al, Evolução térmica de objetos transnetunianos por meio de observações de centauros com JWST, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02417-2
Informações do periódico: Nature Astronomy
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