사용하여 제임스 웹 우주 망원경천문학자들은 3개의 왜행성을 관찰했습니다. 카이퍼 벨트그리고 가벼운 탄화수소와 복잡한 분자의 발견. 이러한 결과는 외부 태양계의 물체에 대한 우리의 이해를 향상시키고 우주 탐사를 위한 제임스 웹 우주 망원경의 능력을 강조합니다.

그만큼 카이퍼 벨트수많은 얼음 덩어리로 이루어진 태양계 가장자리의 광대한 지역은 과학적 발견의 보고입니다. 탐지 및 특성화 카이퍼 벨트 물체 (KBO)라고도 합니다. 해왕성 횡단 물체 (TNO 기관)는 태양계의 역사에 대한 새로운 이해로 이어졌습니다. 카이퍼 벨트 물체의 이탈은 태양계를 형성하고 행성 이동의 역동적인 역사를 드러내는 중력 흐름의 지표입니다. 20세기 후반부터 과학자들은 카이퍼대 천체의 궤도와 구성에 대해 더 자세히 알아보기 위해 카이퍼 벨트 천체를 자세히 관찰해 왔습니다.

제임스 웹 우주 망원경 관측

외부 태양계의 물체를 연구하는 것은 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 많은 목표 중 하나입니다. Webb에서 얻은 데이터 사용 근적외선 분광계 (NIRSpec), 국제 천문학자 팀은 카이퍼 벨트에서 세 개의 왜행성을 관찰했습니다. 세드나, 중중, 크와르. 이러한 관찰을 통해 메탄 조사의 산물이라고 생각되는 가벼운 탄화수소와 복잡한 유기 분자를 포함하여 궤도와 구성에 관한 많은 흥미로운 사실이 밝혀졌습니다.

이번 연구는 노던애리조나대학교 천문학 및 행성과학 교수 조슈아 에머리(Joshua Emery)가 주도했다. 그는 다음과 같은 연구원들과 합류했습니다. NASA고다드 우주비행센터(GSFC). 공간천체물리학연구소 (Université Paris-Saclay). 핀헤드 연구소, 플로리다 우주 연구소 (센트럴 플로리다 대학교). 로웰 천문대, 사우스웨스트 연구소 (스웨이) 그리고 우주망원경과학연구소 (STScI), 아메리칸 대학교. 그리고 코넬 대학교. 논문의 사전 인쇄본이 온라인에 게재되었으며 출판을 위해 검토 중입니다. 이카루스.

카이퍼 벨트에 있는 아로코스 물체의 마지막 비행 이후 뉴 호라이즌스 임무는 카이퍼 벨트에 있는 물체를 탐사하고 태양권 및 천체 물리학을 관찰해 왔습니다. 이미지 출처: NASA/JHUAPL/SwRI//Roman Tkachenko

카이퍼벨트 탐사의 역사

천문학과 로봇 탐험가의 모든 발전에도 불구하고 Trans-Neptune과 Kuiper Belt에 대해 우리가 아는 것은 여전히 ​​​​제한적입니다. 지금까지 유일한 연구 과제는 천왕성, 해왕성그들의 주요 위성은 보이저 2호 임무는 각각 1986년과 1989년에 이 두 얼음 거인에 의해 비행되었습니다. 더욱이, 뉴 호라이즌스 임무는 연구한 최초의 우주선이었습니다. 명왕성 그리고 그 위성(2015년 7월)과 카이퍼 벨트 물체를 만난 유일한 위성은 2019년 1월 1일 아로코스(Arrokoth)로 알려진 카이퍼 벨트 가까이 날아갔을 때 발생했습니다.

JWST의 천문학자들의 예측

이것이 바로 천문학자들이 제임스 웹 우주 망원경의 발사를 간절히 기다려온 많은 이유 중 하나입니다. 외계 행성과 우주에서 가장 오래된 은하를 연구하는 것 외에도 강력한 적외선 이미징 기능이 우리 뒷마당을 향하여 새로운 이미지를 공개합니다. 화성, 목성그리고 그녀 가장 큰 위성. 연구를 위해 Emery와 그의 동료들은 Kuiper Belt의 세 행성인 Sedna, Gungong 및 Kuar에 대해 Webb에서 얻은 근적외선 데이터에 의존했습니다. 이 물체의 직경은 약 1,000km(620마일)입니다. 국제천문연맹의 왜소행성 분류.

왜소행성에 대한 통찰

Emery가 이메일을 통해 Universe Today에 말한 것처럼 이러한 물체는 크기, 궤도 및 구성으로 인해 천문학자들에게 특히 흥미로울 수 있습니다. 명왕성(Pluto), 에리스(Eris), 하우메아(Haumea), 마케마케(Makemake)와 같은 다른 해왕성 횡단 물체들은 표면에 휘발성 얼음(질소, 메탄 등)을 간직하고 있습니다. 유일한 예외는 Haumea인데, 이는 (분명히) 상당한 효과로 인해 휘발성 물질을 잃었습니다. Emery가 말했듯이 그들은 Sedna, Goonggong 및 Quaoar의 표면에도 유사한 휘발성 물질이 있는지 알고 싶었습니다.

“이전 연구에서는 그럴 수 있다는 것을 보여주었습니다. 크기는 모두 비슷하지만 궤도는 다릅니다. 세드나는 근일점이 76 AU이고 원지점이 약 1,000 AU인 내부 오르트 구름의 물체입니다. 궁궁은 타원 궤도 또한 극한으로 33 AU의 근일점과 ~100 AU의 원점을 가진 Kwar는 43 AU 근처의 비교적 원형 궤도에 있습니다. 이 궤도는 물체를 다른 온도 체계와 다른 방사선 환경에 배치합니다(예를 들어 Sedna는 “그것은 “대부분의 시간은 태양권 외부에 있습니다. 우리는 이러한 다양한 궤도가 표면에 어떤 영향을 미치는지 조사하고 싶었습니다. 표면에는 다른 흥미로운 얼음과 복잡한 유기 물질도 있습니다.”

Sedna, Goonggong 및 Quoar에 대한 두 개의 PRISM 관측 중 하나의 이미지. 출처: Emery, J.P. et al. (2023)

Webb NIRSpec 기기의 데이터를 사용하여 팀은 0.7~5.2 마이크로미터(μm) 범위의 파장에서 저해상도 프리즘 모드로 세 가지 물체를 모두 관찰하여 모두 근적외선 스펙트럼에 배치했습니다. 스펙트럼 분해능이 10배인 중간 해상도 그리드를 사용하여 0.97~3.16μm에서 추가적인 Quaoar 관찰이 이루어졌습니다. 결과 스펙트럼은 이러한 TNO 물체와 표면 구성에 대한 몇 가지 흥미로운 사실을 밝혀냈다고 Emery는 말했습니다.

“우리는 세 개의 몸체, 특히 세드나에서 풍부한 에탄(C2H6)을 발견했습니다. 세드나는 또한 아세틸렌(C2H2)과 에틸렌(C2H4)도 보여줍니다. 풍부함은 궤도와 관련이 있습니다(대부분 세드나에서, 궁궁에서는 적고, 적어도 Kuwar에서는), 이는 상대 온도 및 방사선 환경과 일치합니다. 이 분자는 메탄(CH4)에 직접 조사된 산물입니다. 에탄(또는 기타)이 오랫동안 표면에 존재했다면 으로 변형되었을 것입니다. 방사선 조사에 의해 더욱 복잡한 분자를 볼 수 있기 때문에 옥상에 정기적으로 메탄(CH4)을 연료로 공급해야 하는지 의심스럽습니다.

이러한 발견은 Lowell Observatory의 천문학자이자 NASA의 부연구원인 Dr. Will Grundy가 주도한 최근 두 연구에서 제시된 것과 일치합니다. 뉴 호라이즌스 임무와 SwRI의 행성 과학자이자 지구화학자인 Chris Glenn입니다. 두 연구에서 Grundy, Glenn 및 동료들은 Iris와 Makemake에서 메탄의 중수소/수소(D/H) 비율을 측정하고 메탄이 원시적이지 않다고 결론지었습니다. 대신에 그들은 그 비율이 메탄이 내부에서 처리되어 표면으로 전달된 결과라고 주장합니다.

“우리는 Sedna, Gonggong 및 Quaoar의 경우에도 마찬가지일 수 있다고 제안합니다.”라고 Emery는 말했습니다. “우리는 또한 Sedna, Goonggong 및 Quaoar의 스펙트럼이 소규모 KBO의 스펙트럼과 다르다는 것을 알 수 있습니다. 최근 두 회의에서 소규모 KBO 클러스터에 대한 James Webb 우주 망원경 데이터가 세 그룹으로 나누어져 있음을 보여주는 논의가 있었습니다. 세드나(Sedna), 공공(Gonggong), 콰오아르(Quaoar)와 유사합니다. 그들은 동의합니다. 이것은 우리의 세 개의 더 큰 천체가 서로 다른 지열 역사를 가지고 있음에도 불구하고 결과입니다.

8개의 가장 큰 TNO를 지구와 비교합니다(모두 규모에 맞춰). 출처: NASA/Lexicon

결과의 시사점

이러한 결과는 카이퍼 벨트 물체, TNO 및 외부 태양계의 다른 물체에 대한 연구에 중요한 의미를 가질 수 있습니다. 여기에는 휘발성 화합물이 얼어붙는 선을 가리키는 행성계의 서리선 너머에 있는 물체의 형성에 대한 새로운 통찰력이 포함됩니다. 우리 태양계에서 해왕성 횡단 지역은 질소선에 해당하며, 이곳에서 물체는 어는점이 매우 낮은 휘발성 물질(질소, 메탄, 암모니아 등)을 다량 보유하고 있습니다. Emery는 이러한 발견이 또한 이 지역의 신체에서 발생하는 진화 과정의 유형을 보여 준다고 말했습니다.

“주요 영향은 카이퍼 벨트 물체가 원시 얼음의 내부 재처리 및 아마도 분화를 위해 충분히 따뜻해진 부피를 찾는 것일 수 있습니다. 우리는 또한 이러한 스펙트럼을 사용하여 표면 얼음의 복사 처리를 더 잘 이해할 수 있어야 합니다. 외부 태양계.” 미래의 연구에서는 또한 궤도의 어느 부분 위에 있는 이러한 물체의 불안정한 안정성과 대기의 가능성에 대해 더 자세히 조사할 수 있을 것입니다.

이번 연구 결과는 지난해 초 가동을 시작한 이후 여러 차례 그 가치를 입증한 제임스 웹 우주망원경의 성능도 입증했다. 또한 Webb는 먼 행성, 은하계 및 우주의 대규모 구조에 대한 새로운 통찰력과 새로운 발견을 가능하게 하는 것 외에도 우주의 작은 구석에 관한 정보도 밝힐 수 있음을 상기시켜 줍니다.

“James Webb 우주 망원경 데이터는 놀랍습니다.”라고 Emery는 덧붙였습니다. “이를 통해 우리는 지구에서 얻을 수 있는 것보다 더 긴 파장의 스펙트럼을 얻을 수 있었고 이를 통해 이러한 얼음을 감지할 수 있었습니다. 종종 새로운 파장 범위에서 관찰할 때 원시 데이터의 품질이 매우 낮을 수 있습니다. James Webb 망원경은 그렇지 않았습니다. 우주 탐사선은 새로운 범위의 파장을 제공했을 뿐만 아니라 외부 태양계의 다양한 표면 물질에 대해 환상적인 고품질의 민감한 데이터를 제공했습니다.

원래 게시된 기사에서 수정됨 오늘의 우주.

참고: “세 개의 왜행성 이야기: JWST 분광학의 세드나, 궁공, 쿠와르의 얼음과 유기물”(J.P. Emery, I. 웡, R. 브루네토, J.C. 쿡, N. Pinilla-Alonso, J. A. Stansbury, B. J. Holler, W. M. Grundy, S. Protopapa, A. C. Souza-Feliciano, E. Fernández-Valenzuela, J. I. Lunine 및 D. C. Hines, 2023년 9월 26일, 천체 물리학 > 지구 및 행성 물리학 천체 물리학.
arXiv:2309.15230