Impressão artística de um objeto do Cinturão de Kuiper (KBO), localizado na borda externa do nosso sistema solar a uma distância impressionante de 4 bilhões de milhas do Sol. Crédito: NASA, ESA e G. Bacon (STScI)
Uma equipe de pesquisa liderada pela UCF descobriu uma presença significativa de gelos antigos de dióxido de carbono e monóxido de carbono em objetos transnetunianos, indicando que o dióxido de carbono pode ter estado presente durante a formação do nosso sistema solar.
Pela primeira vez, gelos de dióxido de carbono e monóxido de carbono foram detectados em objetos transnetunianos (TNOs) nas regiões mais externas do nosso sistema solar.
Uma equipe de pesquisa, liderada pelos cientistas planetários Mário Nascimento De Prá e Noemí Pinilla-Alonso do Instituto Espacial da Flórida (FSI) da Universidade da Flórida Central, fez as descobertas usando as capacidades espectrais infravermelhas do Telescópio Espacial James Webb (JWST) para analisar a composição química de 59 objetos transnetunianos e centauros.
O estudo pioneiro, publicado em Astronomia da Natureza, sugere que o gelo de dióxido de carbono era abundante nas regiões frias externas do disco protoplanetárioo vasto disco giratório de gás e poeira do qual o sistema solar se formou. Mais investigações são necessárias para entender as origens do gelo de monóxido de carbono, pois ele também é prevalente nos TNOs no estudo.
Os pesquisadores relataram a detecção de dióxido de carbono em 56 TNOs e monóxido de carbono em 28 (mais seis com detecções duvidosas ou marginais), de uma amostra de 59 objetos observados com o JWST. O dióxido de carbono estava disseminado nas superfícies da população transnetuniana, independentemente da classe dinâmica e do tamanho do corpo, enquanto o monóxido de carbono foi detectado apenas em objetos com alta abundância de dióxido de carbono, de acordo com o estudo.
Espectro da superfície de um objeto transnetuniano rico em gelos voláteis de carbono obtido com o JWST como parte do DiSCo Large Program. Absorções de dióxido de carbono (CO2), seu isotopólogo (13CO2) e monóxido de carbono são destacados em amarelo. A luz do Sol (próximo ao centro da imagem) é diminuída a bilhões de milhas de distância, onde os objetos transnetunianos residem. Crédito: William Gonzalez Sierra, Florida Space Institute
O trabalho faz parte do programa Discovering the Surface Compositions of Trans-Neptunian Objects (DiSCo-TNOs), liderado pela UCF, um dos programas do JWST focado na análise do nosso sistema solar.
“É a primeira vez que observamos essa região do espectro para uma grande coleção de TNOs, então, de certa forma, tudo o que vimos foi emocionante e único”, diz de Prá, coautor do estudo. “Não esperávamos descobrir que o dióxido de carbono era tão onipresente na região do TNO, e muito menos que o monóxido de carbono estivesse presente em tantos TNOs.”
A descoberta dos gelos pode nos ajudar ainda mais a entender a formação do nosso sistema solar e como os objetos celestes podem ter migrado, diz ele.
“Objetos Transnetunianos são relíquias do processo de formação planetária”, diz de Prá. “Essas descobertas podem impor restrições importantes sobre onde esses objetos foram formados, como eles chegaram à região que habitam hoje em dia e como suas superfícies evoluíram desde sua formação. Como eles se formaram a distâncias maiores do Sol e são menores que os planetas, eles contêm as informações originais sobre a composição original do disco protoplanetário.”
Crônica do Gelo Antigo
Foi observado gelo de monóxido de carbono em Plutão pela sonda New Horizons, mas só depois do JWST houve um observatório poderoso o suficiente para localizar e detectar traços de gelo de monóxido de carbono ou gelo de dióxido de carbono na maior população de TNOs.
O dióxido de carbono é comumente encontrado em muitos objetos em nosso sistema solar. Então, a equipe DiSCo estava curiosa para ver se ele existia em maiores quantidades além dos limites de Netuno.
De acordo com o estudo, as possíveis razões para a falta de detecções anteriores de gelo de dióxido de carbono em TNOs incluem uma menor abundância, dióxido de carbono não volátil ficando enterrado sob camadas de outros gelos menos voláteis e material refratário ao longo do tempo, conversão em outras moléculas por meio de irradiação e simples limitações observacionais.
A descoberta de dióxido de carbono e monóxido de carbono nos TNOs fornece algum contexto e também levanta muitas questões, diz de Prá.
“Enquanto o dióxido de carbono provavelmente foi agregado do disco protoplanetário, a origem do monóxido de carbono é mais incerta”, ele diz. “Este último é um gelo volátil mesmo nas superfícies frias dos TNOs. Não podemos descartar que o monóxido de carbono foi primordialmente agregado e de alguma forma foi retido até a data atual. No entanto, os dados sugerem que ele pode ser produzido pela irradiação de gelos portadores de carbono.”
Uma avalanche de respostas
Confirmar a presença de dióxido de carbono e monóxido de carbono nos TNOs abre muitas oportunidades para estudos mais aprofundados e quantificação de como ou por que eles estão presentes, diz Pinilla-Alonso, que também foi coautor do estudo e lidera o programa DiSCo-TNOs.
“A descoberta de dióxido de carbono em objetos transnetunianos foi emocionante, mas ainda mais fascinantes foram suas características”, ela diz. “A impressão espectral do dióxido de carbono revelou duas composições de superfície distintas dentro de nossa amostra. Em alguns TNOs, o dióxido de carbono é misturado com outros materiais como metanol, gelo de água e silicatos. No entanto, em outro grupo — onde o dióxido de carbono e o monóxido de carbono são os principais componentes da superfície — a assinatura espectral foi surpreendentemente única. Essa impressão nítida de dióxido de carbono é diferente de qualquer coisa observada em outros corpos do sistema solar ou mesmo replicada em ambientes de laboratório.”
Agora parece claro que quando o dióxido de carbono é abundante, ele aparece isolado de outros materiais, mas isso por si só não explica o formato da faixa, diz Pinilla-Alonso. Entender essas faixas de dióxido de carbono é outro mistério, provavelmente ligado às suas propriedades ópticas únicas e como elas refletem ou absorvem cores específicas de luz, diz ela.
Foi comumente teorizado que talvez o dióxido de carbono pudesse estar presente nos TNOs, já que o dióxido de carbono existe em estado gasoso nos cometas, que são comparáveis em composição, diz Pinilla-Alonso.
“Em cometas, observamos dióxido de carbono como um gás, liberado pela sublimação de gelos na superfície ou logo abaixo dela”, ela diz. “No entanto, como o dióxido de carbono nunca havia sido observado na superfície dos TNOs, a crença comum era de que ele estava preso abaixo da superfície. Nossas últimas descobertas derrubam essa noção. Agora sabemos que o dióxido de carbono não está presente apenas na superfície dos TNOs, mas também é mais comum do que o gelo de água, que antes pensávamos ser o material de superfície mais abundante. Essa revelação muda drasticamente nossa compreensão da composição dos TNOs e sugere que os processos que afetam suas superfícies são mais complexos do que imaginávamos.”
Descongelando os dados
Os coautores do estudo Elsa Hénault, doutoranda no Institut d’Astrophysique Spatiale da Université Paris-Saclay e no Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, e Rosario Brunetto, supervisora de Hénault, trouxeram uma perspectiva laboratorial e química para a interpretação das observações do JWST.
Hénault analisou e comparou as bandas de absorção de dióxido de carbono e monóxido de carbono em todos os objetos. Embora houvesse ampla evidência do gelo, havia uma grande diversidade em abundância e distribuição, diz Hénault.
“Embora tenhamos descoberto que o CO2 é onipresente em todos os TNOs, ele definitivamente não é distribuído uniformemente”, ela diz. “Alguns objetos são pobres em dióxido de carbono, enquanto outros são muito ricos em dióxido de carbono e mostram monóxido de carbono. Alguns objetos exibem dióxido de carbono puro, enquanto outros o têm misturado com outros compostos. Ligar as características do dióxido de carbono aos parâmetros orbitais e físicos nos permitiu concluir que as variações do dióxido de carbono são provavelmente representativas das diferentes regiões de formação e evolução inicial dos objetos.”
Por meio da análise, é muito provável que o dióxido de carbono estivesse presente no disco protoplanetário, no entanto, é improvável que o monóxido de carbono seja primordial, diz Hénault.
“O monóxido de carbono poderia ser eficientemente formado pelo bombardeio constante de íons vindo do nosso sol ou de outras fontes”, ela diz. “Atualmente, estamos explorando essa hipótese comparando as observações com experimentos de irradiação de íons que podem reproduzir as condições de congelamento e ionização das superfícies de TNO.”
A pesquisa trouxe algumas respostas definitivas para questões antigas que remontam à descoberta dos TNOs há quase 30 anos, mas os pesquisadores ainda têm um longo caminho a percorrer, diz Hénault.
“Outras questões são levantadas agora”, ela diz. “Notavelmente, considerando a origem e a evolução do monóxido de carbono. As observações em toda a faixa espectral são tão ricas que definitivamente manterão os cientistas ocupados pelos próximos anos.”
Embora as observações do programa DiSCo estejam se aproximando de uma conclusão, a análise e discussão dos resultados ainda têm um longo caminho a percorrer. O conhecimento fundamental obtido com o estudo provará ser um suplemento importante para futuras pesquisas em ciência planetária e astronomia, diz de Prá.
“Nós apenas arranhamos a superfície do que esses objetos são feitos e como eles surgiram”, ele diz. “Agora precisamos entender a relação entre esses gelos com os outros compostos presentes em suas superfícies e entender a interação entre seu cenário de formação, evolução dinâmica, retenção volátil e mecanismos de irradiação ao longo da história do sistema solar.”
Reference: “Widespread CO2 and CO ices in the trans-Neptunian population revealed by JWST/DiSCo-TNOs” by Mário N. De Prá, Elsa Hénault, Noemí Pinilla-Alonso, Bryan J. Holler, Rosario Brunetto, John A. Stansberry, Ana Carolina de Souza Feliciano, Jorge M. Carvano, Brittany Harvison, Javier Licandro, Thomas G. Müller, Nuno Peixinho, Vania Lorenzi, Aurélie Guilbert-Lepoutre, Michele T. Bannister, Yvonne J. Pendleton, Dale P. Cruikshank, Charles A. Schambeau, Lucas McClure and Joshua P. Emery, 22 May 2024, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02276-x
A pesquisa foi financiada por NASA.
