El Cinturón de Kuiper, la vasta región en el borde de nuestro sistema solar poblada por innumerables objetos helados, es un tesoro escondido de descubrimientos científicos. La detección y caracterización de los objetos del cinturón de Kuiper (KBO), a veces denominados objetos transneptunianos (TNO), ha llevado a una nueva comprensión de la historia del sistema solar.
La disposición de los KBO es un indicador de las corrientes gravitacionales que han dado forma al sistema solar y revelan una historia dinámica de migraciones planetarias. Desde finales del siglo XX, los científicos han estado ansiosos por observar más de cerca los KBO para aprender más sobre sus órbitas y composición.
El estudio de los cuerpos del sistema solar exterior es uno de los muchos objetivos del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Utilizando datos obtenidos por el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb, un equipo internacional de astrónomos observó tres planetas enanos en el cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estas observaciones revelaron varias cosas interesantes sobre sus respectivas órbitas y composición, incluidos hidrocarburos ligeros y moléculas orgánicas complejas que se cree que son producto de la irradiación de metano.
La investigación fue dirigida por Joshua Emery, profesor asociado de Astronomía y Ciencias Planetarias en la Universidad del Norte de Arizona. A él se unieron investigadores del Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC) de la NASA, el Institut d’Astrophysique Spatiale (Université Paris-Saclay), el Instituto Pinhead, el Instituto Espacial de Florida (Universidad de Florida Central), el Observatorio Lowell, el Southwest Research Institute (SwRI), el Space Telescope Science Institute (STScI), American University. y la Universidad de Cornell. Se ha publicado una preimpresión de su artículo en el servidor arXiv y Icarus la está revisando para su publicación.
A pesar de todos los avances en astronomía y exploradores robóticos, lo que sabemos sobre la región transneptuniana y el cinturón de Kuiper aún es limitado. Hasta la fecha, la única misión para estudiar Urano, Neptuno y sus principales satélites fue la misión Voyager 2, que sobrevoló estos gigantes de hielo en 1986 y 1989, respectivamente. Además, la misión New Horizons fue la primera nave espacial en estudiar Plutón y sus satélites (en julio de 2015) y la única en encontrar un objeto en el Cinturón de Kuiper, lo que ocurrió el 1 de enero de 2019, cuando pasó por el KBO conocido como Arrokot.
Esta es una de las muchas razones por las que los astrónomos esperaban ansiosamente el lanzamiento del JWST. Además de estudiar exoplanetas y las galaxias más antiguas del universo, sus potentes capacidades de obtención de imágenes infrarrojas también se han dirigido hacia nuestro patio trasero, revelando nuevas imágenes de Marte, Júpiter y sus satélites más grandes. Para su estudio, Emery y sus colegas consultaron datos del infrarrojo cercano obtenidos por Webb de tres planetoides en el cinturón de Kuiper: Sedna, Gonggong y Quaoar. Estos cuerpos tienen aproximadamente 1.000 km (620 millas) de diámetro, lo que los coloca dentro de la designación IAU de Planetas Enanos.
Como Emery le dijo a Universe Today por correo electrónico, estos cuerpos son especialmente interesantes para los astrónomos debido a su tamaño, órbitas y composiciones. Otros cuerpos transneptunianos, como Plutón, Eris, Haumea y Makemake, han retenido hielos volátiles en sus superficies (nitrógeno, metano, etc.). La única excepción es Haumea, que perdió sus volátiles en un gran impacto (aparentemente). Como dijo Emery, querían ver si Sedna, Gonggong y Quaoar también tienen volátiles similares en sus superficies:
“Trabajos anteriores han demostrado que pueden hacerlo. Si bien todos tienen tamaños aproximadamente similares, sus órbitas son distintas. Sedna es un objeto interno de la Nube de Oort con un perihelio de 76 AU y un afelio de casi 1.000 AU, Gonggong está en una órbita muy elíptica. Además, con un perihelio de 33 AU y un afelio de ~100 AU, y Quaoar está en una órbita relativamente circular cerca de 43 AU. Estas órbitas colocan los cuerpos en diferentes regímenes de temperatura y diferentes entornos de irradiación (Sedna, por ejemplo, pasa la mayor parte de su tiempo). fuera de la heliosfera del sol). Queríamos investigar cómo esas diferentes órbitas podrían afectar las superficies. También hay otros hielos interesantes y compuestos orgánicos complejos en las superficies”.
Utilizando datos del instrumento NIRSpec de Webb, el equipo observó los tres cuerpos en modo prisma de baja resolución en longitudes de onda que abarcan entre 0,7 y 5,2 micrómetros (μm), colocándolos a todos en el espectro del infrarrojo cercano. Se realizaron observaciones adicionales de Quaoar de 0,97 a 3,16 µm utilizando rejillas de resolución media diez veces la resolución espectral. Los espectros resultantes revelaron algunas cosas interesantes sobre estos TNO y las composiciones de la superficie, dijo Emery:
“Encontramos abundante etano (C2H6) en los tres cuerpos, sobre todo en Sedna. Sedna también muestra acetileno (C2H2) y etileno (C2H4). Las abundancias se correlacionan con la órbita (la mayor parte en Sedna, menos en Gonggong, menos en Quaoar) , lo cual es consistente con las temperaturas relativas y los ambientes de irradiación. Estas moléculas son productos de irradiación directa del metano (CH4). Si el etano (u otros) hubieran estado en las superficies durante mucho tiempo, se habrían convertido en moléculas aún más complejas. por irradiación. Dado que todavía los vemos, sospechamos que el metano (CH4) debe reabastecerse a las superficies con bastante regularidad”.
Estos hallazgos son consistentes con los presentados en un par de estudios recientes dirigidos por el Dr. Will Grundy, astrónomo del Observatorio Lowell y co-investigador de la misión New Horizons de la NASA, y Chris Glein, científico planetario y geoquímico del SwRI. Para ambos estudios, Grundy, Glien y sus colegas midieron las proporciones deuterio/hidrógeno (D/H) en metano en Eris y Makemake y concluyeron que el metano no era primordial. En cambio, argumentan que las proporciones son el resultado de que el metano se procesa en sus interiores y se entrega a la superficie.
“Sugerimos que lo mismo puede ser cierto para Sedna, Gonggong y Quaoar”, dijo Emery. “También vemos que los espectros de Sedna, Gonggong y Quaoar son distintos de los de los KBO más pequeños. Hubo conversaciones en dos conferencias recientes que mostraron que los datos del JWST de los KBO más pequeños se agrupan en tres grupos, ninguno de los cuales se parece a Sedna, Gonggong, y Quaoar. Ese resultado es consistente con que nuestros tres cuerpos más grandes tengan una historia geotérmica diferente”.
Estos hallazgos podrían tener implicaciones significativas para el estudio de KBO, TNO y otros objetos en el sistema solar exterior. Esto incluye nuevos conocimientos sobre la formación de objetos más allá de la Línea de Escarcha en los sistemas planetarios, que se refiere a la línea más allá de la cual los compuestos volátiles se congelarán. En nuestro sistema solar, la región Transneptuniana corresponde a la línea del nitrógeno, donde los cuerpos retendrán grandes cantidades de volátiles con puntos de congelación muy bajos (es decir, nitrógeno, metano y amoníaco).
Estos hallazgos, dijo Emery, también demuestran qué tipo de procesos evolutivos están en funcionamiento en los cuerpos de esta región. “La implicación principal puede ser encontrar el tamaño en el que los KBO se han calentado lo suficiente como para el reprocesamiento interior de los hielos primordiales, tal vez incluso la diferenciación. También deberíamos poder utilizar estos espectros para comprender mejor el procesamiento de la irradiación de los hielos superficiales en el sistema solar exterior. Y los estudios futuros también podrán observar con más detalle la estabilidad volátil y la posibilidad de que existan atmósferas en estos cuerpos en cualquier parte de sus órbitas”.
Los resultados de este estudio también muestran las capacidades del JWST, que ha demostrado su valía muchas veces desde que entró en funcionamiento a principios del año pasado. También nos recuerdan que, además de permitir nuevas visiones y avances de planetas distantes, galaxias y la estructura a gran escala del universo, Webb también puede revelar cosas sobre nuestro pequeño rincón del cosmos.
“Los datos del JWST son fantásticos”, añadió Emery. “Nos permitieron obtener espectros en longitudes de onda más largas que las que podemos obtener desde el suelo, lo que permitió la detección de estos hielos. A menudo, cuando se observa en un nuevo rango de longitudes de onda, los datos iniciales pueden ser de muy mala calidad. JWST no sólo abrió un nuevo rango de longitudes de onda, pero también proporcionó datos de una calidad fantásticamente alta que son sensibles a un conjunto de materiales en las superficies del sistema solar exterior”.
Con información de arXiv
