Astronomer som använder Gemini Observatory utforskar Neptunus största måne Triton och observerar, för första gången bortom labbet, en extraordinär förening mellan kolmonoxid och kväveisar. Upptäckten ger insikter i hur denna flyktiga blandning kan transportera material över månens yta via gejsrar, utlösa säsongsbetonade atmosfäriska förändringar, och ge ett sammanhang för förhållanden på andra avlägsna, isiga världar.

Extrema förhållanden kan ge extrema resultat. I detta fall, det är den ovanliga sammankopplingen av två vanliga molekyler – kolmonoxid (CO) och kväve (N2) – frusna som fasta isar på Neptunus kalla måne Triton.

I laboratoriet, ett internationellt team av forskare har identifierat en mycket specifik våglängd av infrarött ljus som absorberas när kolmonoxid- och kvävemolekyler går samman och vibrerar unisont. Individuellt, kolmonoxid och kväveisar absorberar var och en sina egna distinkta våglängder av infrarött ljus, men tandemvibrationen hos en isblandning absorberar ytterligare, distinkt våglängd identifierad i denna studie.

Med hjälp av 8-meters Gemini South Telescope i Chile, teamet har spelat in samma unika infraröda signatur på Triton. Nyckeln till upptäckten var den högupplösta spektrografen kallad IGRINS (Immersion Grating Infrared Spectrometer) som byggdes som ett samarbete mellan University of Texas i Austin och Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Både Gemini Observatory och IGRINS får finansiering från US National Science Foundation (NSF) och KASI.

"Medan det isiga spektrala fingeravtrycket vi avslöjade var helt rimligt, speciellt som denna kombination av isar kan skapas i labbet, att peka ut denna specifika våglängd av infrarött ljus på en annan värld är aldrig tidigare skådat, " sa Stephen C. Tegler från Northern Arizona University's Astrophysical Materials Laboratory som ledde den internationella studien. Forskningsresultaten har godkänts för publicering i Astronomisk tidskrift .

I jordens atmosfär finns kolmonoxid- och kvävemolekyler som gaser, lägger märke till. Faktiskt, molekylärt kväve är den dominerande gasen i luften vi andas, och kolmonoxid är en sällsynt förorening som kan vara dödlig.

På avlägsna Triton, dock, kolmonoxid och kväve fryser som fasta isar. De kan bilda sina egna oberoende isar, eller kan kondensera ihop i den isiga blandningen som detekteras i Gemini-data. Denna isiga blandning kan vara involverad i Tritons ikoniska gejsrar som först sågs i Voyager 2-rymdfarkostbilder som mörka, vindblåsta ränder på ytan av det avlägsna, iskall måne.

Rymdfarkosten Voyager 2 fångade först Tritons gejsrar i aktion i månens södra polarområde redan 1989. Sedan dess, teorier har fokuserat på ett inre hav som en möjlig källa till utbrott material. Eller, gejsrarna kan få utbrott när sommarsolen värmer detta tunna lager av flyktig is på Tritons yta, potentiellt involverar den blandade kolmonoxid- och kväveisen som avslöjades av Gemini-observationen. Den isblandningen kan också migrera runt Tritons yta som svar på säsongsmässigt varierande mönster av solljus.

"Trots Tritons avstånd från solen och de kalla temperaturerna, det svaga solljuset är tillräckligt för att driva kraftiga säsongsmässiga förändringar på Tritons yta och atmosfär, " tillägger Henry Roe, Biträdande direktör för Gemini och medlem i forskargruppen. "Detta arbete visar kraften i att kombinera laboratoriestudier med teleskopobservationer för att förstå komplexa planetariska processer i främmande miljöer som är så olika från vad vi möter varje dag här på jorden."

Säsonger går långsamt framåt på Triton, eftersom det tar 165 år för Neptunus att kretsa runt solen. En säsong på Triton varar i lite över 40 år; Triton passerade sitt södra sommarsolståndsmärke år 2000, lämnar cirka 20 år till att bedriva ytterligare forskning innan hösten börjar.

Blickar framåt, forskarna förväntar sig att dessa fynd kommer att belysa sammansättningen av isar och årstidsvariationer i atmosfären på andra avlägsna världar bortom Neptunus. Astronomer har misstänkt att blandningen av kolmonoxid och kväve is inte bara finns på Triton, men också på Pluto, där rymdfarkosten New Horizons hittade de två isarna samexisterande. Detta Tvillingsfynd är det första direkta spektroskopiska beviset på att dessa isar blandas och absorberar denna typ av ljus på båda världarna.

Bakgrund

Triton kretsar kring Neptunus, den åttonde planeten från solen, cirka 2,7 miljarder miles från jorden – vid den kalla ytterkanten av vårt solsystems stora planetzon. Det är den enda stora månen i solsystemet som kretsar "bakåt" eller i motsatt riktning mot planetens rotation. Den märkliga rörelsen antyder att Triton är ett fångat trans-neptuniskt objekt från Kuiperbältet - en region av rester från solsystemets tidiga historia, vilket är anledningen till att den delar flera egenskaper med dvärgplaneten Pluto och Eris:storlek (ungefär två tredjedelar av vår måne), och yttemperaturer som svävar nära absoluta nollpunkten; så låg att vanliga föreningar vi känner som gaser på jorden fryser till is.

Tritons atmosfär är också 70, 000 gånger mindre tät än jordens och består av kväve, metan, och kolmonoxid. Dess yta verkar bestå av två olika terränger, en sammansatt av de flyktiga isarna och den andra bildad av vatten- och koldioxidisar.

Molekylärt kväve tros ha varit den vanligaste typen av kväve som fanns tillgänglig när solsystemet bildades. Dess överflöd i det yttre solsystemet är en viktig nyckel till livets ursprung, eftersom det är en viktig del av livets byggstenar.