För första gången har koldioxid- och kolmonoxidisar observerats längst ut i vårt solsystem på trans-neptuniska objekt (TNO).
En forskargrupp, ledd av planetforskarna Mário Nascimento De Prá och Noemí Pinilla-Alonso från University of Central Floridas Florida Space Institute (FSI), gjorde fynden genom att använda den infraröda spektralkapaciteten hos James Webb Space Telescope (JWST) för att analysera den kemiska sammansättningen av 59 trans-neptuniska objekt och kentaurer.
Den banbrytande studien, publicerad denna vecka i Nature Astronomy , antyder att koldioxidis var rikligt i de kalla yttre regionerna av den protoplanetära skivan, den enorma roterande skivan av gas och damm från vilken solsystemet bildades. Ytterligare undersökning behövs för att förstå kolmonoxidisens ursprung, eftersom den också är utbredd på TNO:erna i studien.
Forskarna rapporterade upptäckten av koldioxid i 56 TNO och kolmonoxid i 28 (plus sex med tvivelaktiga eller marginella upptäckter), av ett urval av 59 föremål som observerats med JWST. Koldioxid var utbredd på ytorna av den trans-neptuniska befolkningen, oberoende av den dynamiska klassen och kroppsstorleken medan kolmonoxid detekterades endast i föremål med hög koldioxidförekomst, enligt studien.
Arbetet är en del av det UCF-ledda programmet Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs), ett av JWST-programmen som fokuserar på att analysera vårt solsystem.
"Det är första gången vi observerade den här regionen av spektrumet för en stor samling TNO:er, så på sätt och vis var allt vi såg spännande och unikt", säger de Prá, som var medförfattare till studien. "Vi förväntade oss inte att finna att koldioxid var så allestädes närvarande i TNO-regionen, och ännu mindre att kolmonoxid fanns i så många TNO."
Upptäckten av isarna kan ytterligare hjälpa oss att förstå bildandet av vårt solsystem och hur himmelska föremål kan ha migrerat, säger han.
"Trans-neptuniska objekt är reliker från processen för planetbildning", säger de Prá. "Dessa fynd kan införa viktiga begränsningar för var dessa objekt bildades, hur de nådde den region de lever i nuförtiden och hur deras ytor har utvecklats sedan de bildades. Eftersom de bildades på större avstånd till solen och är mindre än planeterna innehåller de den orörda informationen om den ursprungliga sammansättningen av den protoplanetära skivan."
Kolmonoxidis observerades på Pluto av New Horizons-sonden, men inte förrän JWST fanns ett observatorium som var tillräckligt kraftfullt för att lokalisera och upptäcka spår av kolmonoxidis eller koldioxidis på den största populationen av TNO.
Koldioxid finns vanligtvis i många föremål i vårt solsystem. Så DiSCo-teamet var nyfiket på att se om det fanns i större mängder bortom räckhåll för Neptunus.
Möjliga orsaker till bristen på tidigare upptäckter av koldioxidis på TNO inkluderar en lägre förekomst, icke-flyktig koldioxid som med tiden begravs under lager av andra mindre flyktiga isar och eldfast material, omvandling till andra molekyler genom bestrålning och enkla observationsbegränsningar , enligt studien.
Upptäckten av koldioxid och kolmonoxid på TNO:erna ger ett visst sammanhang samtidigt som det väcker många frågor, säger de Prá.
"Medan koldioxiden förmodligen ansamlades från den protoplanetära skivan, är ursprunget till kolmonoxiden mer osäkert", säger han. "Den sistnämnda är en flyktig is även i de kalla ytorna på TNO:erna. Vi kan inte utesluta att kolmonoxiden ursprungligen ansamlades och på något sätt behölls tills idag. Men data tyder på att den kan produceras av bestrålningen från kolhaltiga isar."
Att bekräfta närvaron av koldioxid och kolmonoxid på TNO öppnar många möjligheter att ytterligare studera och kvantifiera hur eller varför det finns, säger Pinilla-Alonso, som också var medförfattare till studien och leder DiSCo-TNOs-programmet.
"Upptäckten av koldioxid på trans-neptuniska föremål var spännande, men ännu mer fascinerande var dess egenskaper", säger hon. "Spektralavtrycket av koldioxid avslöjade två distinkta ytsammansättningar i vårt prov. I vissa TNO blandas koldioxid med andra material som metanol, vattenis och silikater. Men i en annan grupp - där koldioxid och kolmonoxid är de viktigaste ytkomponenter – den spektrala signaturen var slående unik. Detta skarpa koldioxidavtryck liknar inte någonting som observerats på andra solsystemskroppar eller till och med replikerats i laboratoriemiljöer."
Det verkar nu tydligt att när koldioxid är rikligt, verkar det isolerat från andra material, men detta förklarar inte ensamt bandformen, säger Pinilla-Alonso. Att förstå dessa koldioxidband är ett annat mysterium, troligen kopplat till deras unika optiska egenskaper och hur de reflekterar eller absorberar specifika ljusfärger, säger hon.
Det var allmänt ansett att koldioxid kanske finns i TNO eftersom koldioxid finns i gasform i kometer, som är jämförbara i sammansättning, säger Pinilla-Alonso.
"I kometer observerar vi koldioxid som en gas, frigörs från sublimering av is på eller strax under ytan", säger hon. "Men eftersom koldioxid aldrig hade observerats på ytan av TNO, var den vanliga uppfattningen att den var instängd under ytan. Våra senaste fynd upphäver denna uppfattning. Vi vet nu att koldioxid inte bara finns på ytan av TNO:er men är också vanligare än vattenis, som vi tidigare trodde var det vanligaste ytmaterialet. Denna uppenbarelse förändrar dramatiskt vår förståelse av sammansättningen av TNO och antyder att processerna som påverkar deras ytor är mer komplexa än vi insåg."
Studiens medförfattare Elsa Hénault, doktorand vid Université Paris-Saclays Institut d'Astrophysique Spatiale och French National Centre of Scientific Research, och Rosario Brunetto, Hénaults handledare, tog med ett laboratorie- och kemiskt perspektiv i tolkningen av JWST-observationer.
Hénault analyserade och jämförde absorptionsbanden för koldioxid och kolmonoxid över alla objekt. Även om det fanns gott om bevis på isen, fanns det en stor mångfald i överflöd och distribution, säger Hénault.
"Medan vi hittade CO2 för att vara allestädes närvarande över TNO:er är det definitivt inte jämnt fördelat", säger hon. "Vissa föremål är fattiga på koldioxid medan andra är mycket rika på koldioxid och visar kolmonoxid. Vissa föremål uppvisar ren koldioxid medan andra har det blandat med andra föreningar. Genom att koppla samman koldioxidens egenskaper till orbitala och fysiska parametrar kunde vi dra slutsatsen att koldioxidvariationer sannolikt är representativa för objektens olika formationsregioner och tidiga evolution."
Genom analys är det mycket troligt att koldioxid fanns i den protoplanetära skivan, men kolmonoxid är osannolikt att vara ursprunglig, säger Hénault.
"Kolmonoxid kan effektivt bildas av det ständiga jonbombardementet som kommer från vår sol eller andra källor", säger hon. "Vi undersöker för närvarande denna hypotes genom att jämföra observationerna med jonbestrålningsexperiment som kan reproducera de frysande och joniserande förhållandena hos TNO-ytor."
Forskningen gav några säkra svar på långvariga frågor som går tillbaka till upptäckten av TNO för nästan 30 år sedan, men forskare har fortfarande en lång väg kvar att gå, säger Hénault.
"Nu väcks andra frågor", säger hon. "Särskilt med tanke på ursprunget och utvecklingen av kolmonoxiden. Observationerna över hela spektralområdet är så rika att de definitivt kommer att hålla forskare sysselsatta i många år framöver."
Även om observationerna i DiSCo-programmet närmar sig sitt slut, har analysen och diskussionen av resultaten fortfarande en lång väg att gå. Den grundläggande kunskapen från studien kommer att visa sig vara ett viktigt komplement för framtida planetvetenskap och astronomiforskning, säger de Prá.
"Vi har bara skrapat på ytan av vad dessa föremål är gjorda av och hur de kom till", säger han. "Vi behöver nu förstå förhållandet mellan dessa isar och de andra föreningarna som finns på deras ytor och förstå samspelet mellan deras bildningsscenario, dynamiska evolution, flyktiga retention och bestrålningsmekanismer genom solsystemets historia."
