ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用してカイパーベルトの 3 つの準惑星を観察した天文学者は、軽い炭化水素と複雑な分子を発見しました。これらの発見は、太陽系外縁部の天体についての理解を深め、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の宇宙探査能力を浮き彫りにします。
この芸術家のビジョンでは、セドナという名前の新しく発見された惑星のような物体は、既知の太陽系の外縁に位置しています。画像出典: NASA/JPL-カリフォルニア工科大学
カイパーベルトは太陽系の端にある広大な地域で、無数の氷の物体が存在し、科学的発見の宝庫です。海王星横断天体 (TNO) とも呼ばれるカイパーベルト天体 (KBO) の検出とその特徴付けは、太陽系の歴史に新たな洞察をもたらしました。カイパーベルト天体の配置は、太陽系を形作る重力流の指標であり、惑星移動の動的な歴史を明らかにします。 20世紀後半以来、科学者たちはKBOを詳しく調べて、その軌道や組成について詳しく知りたいと熱望してきました。
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による観測
太陽系外の天体を研究することは、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の多くの目標の 1 つです。国際天文学者チームは、ウェッブ望遠鏡の近赤外分光計 (NIRSpec) からのデータを使用して、カイパーベルトにある 3 つの準惑星、セドナ、ゴンゴン、クオアールを観察しました。これらの観察により、メタン照射の生成物であると考えられる軽質炭化水素や複雑な有機分子など、それぞれの軌道や組成におけるいくつかの興味深い現象が明らかになりました。
この研究を主導したのは、北アリゾナ大学の天文学・惑星科学教授ジョシュア・エメリー氏だ。 NASAのゴダード宇宙飛行センター(GSFC)、パリ・サクレー大学天体物理学研究所、ピンヘッド研究所、フロリダ宇宙研究所(セントラルフロリダ大学)、ローウェル天文台、サウスウェスト研究所(SwRI)、宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)、アメリカン大学、コーネル大学の研究者もこの研究に参加した。彼らの論文のプレプリントはオンラインで公開されており、Icarus によって査読中です。
カイパーベルト天体アロコスの前回の飛行以来、ニューホライズンズミッションはカイパーベルト天体を探索し、太陽圏および天体物理学の観測を行ってきました。出典: NASA/JHUAPL/SwRI//RomanTkachenko
カイパーベルト探査の歴史
天文学とロボット検出器の大きな進歩にもかかわらず、海王星横断領域とカイパーベルトに関する私たちの知識は依然として限られています。現在まで、天王星、海王星、およびそれらの主要な衛星を研究する唯一のミッションは、それぞれ 1986 年と 1989 年にこれらの氷の巨人の近くを飛行したボイジャー 2 号ミッションです。さらに、ニューホライズンズは冥王星とその衛星を研究した最初の宇宙船であり（2015年7月）、カイパーベルトで天体に遭遇した唯一の宇宙船でもあります。 2019年1月1日に「アロコス」と名付けられたカイパー天体のそばを飛行した。
天文学者が JWST に期待していること
これが、天文学者が JWST の打ち上げを心待ちにしている多くの理由の 1 つです。系外惑星や宇宙最古の銀河の研究に加えて、その強力な赤外線画像処理能力は私たちの裏庭にも向けられており、火星、木星、そしてそれらの最大の衛星の新しい画像を明らかにしています。研究の中で、エメリー氏らは、ウェブ氏がカイパーベルトの3つの惑星、セドナ、ゴンゴン、クアオアから得た近赤外線データを参照した。これらの天体は直径約 1,000 キロメートル (620 マイル) で、国際天文学連合 (IAU) の準惑星カテゴリーに分類されます。
準惑星に関する洞察
天文学者は、その大きさ、軌道、構成から、これらの天体に特に興味を持っています。冥王星、エリス、ハウメアなどの他の太陽系外縁天体はすべて、その表面に揮発性の氷（窒素、メタンなど）を保持しています。唯一の例外はハウメアで、巨大衝突で揮発性物質を失った（らしい）。したがって、天文学者たちは、セドナ、ゴンゴン、クイオールの表面に同様の揮発性物質が存在するかどうかを観察したいと考えています。
「以前の研究では、それらが存在する可能性があることが示唆されています。それらはほぼ同じ大きさですが、軌道は大きく異なります。セドナはオールトの内側の天体で、近日点が 76 天文単位、遠日点が 1000 天文単位近くです。ゴンゴンの軌道も非常に楕円形で、近日点が 33 天文単位、遠日点が約 100 天文単位です。クオールの軌道は比較的円形で、43 天文単位に近いです」 AU。これらの軌道により、天体はさまざまな温度領域やさまざまな照射環境にさらされます（たとえば、セドナはほとんどの時間を太陽太陽圏の外で過ごします）。私たちは、これらの異なる軌道が物体の表面にどのような影響を与えるかを研究したかったのです。」
セドナ、ゴンゴン、クイアルの 2 つの PRISM 格子観察のうちの 1 つからの画像。出典: Emery、J.P. et al. (2023年)
ウェッブ近赤外線望遠鏡 (NIRSpec) からのデータを使用して、研究チームは 0.7 ミクロンから 5.2 ミクロンの波長範囲の低解像度プリズム モードで 3 つの天体を観察し、すべて近赤外線スペクトル内に収まりました。さらに、10倍のスペクトル分解能を提供する中分解能回折格子を使用して、0.97～3.16ミクロンの波長でQuaoarの追加観察を行いました。得られたスペクトルから、これらの塵の粒子と表面の組成についていくつかの興味深いことが明らかになったとエメリー氏は述べた。
「3つの天体すべてで豊富なエタン（C2H6）が見つかり、セドナが最も顕著でした。セドナはアセチレン（C2H2）とエチレン（C2H4）も示しています。存在量は軌道に依存しており（セドナが最も多く、ゴンゴンが少なく、クオールが最も少ない）、これは相対温度と照射リングと相関しています。」 これらの分子はメタン（CH4）の直接照射生成物です。エタン（または他の物質）が地表に長期間存在すると、照射下でより複雑な分子に変換されますが、それらはまだ見えるため、メタン（CH4）を定期的に地表に補充する必要があるのではないかと考えています。」
これらの発見は、ローウェル天文台の天文学者でNASAのニューホライズンズミッションの共同研究者であるウィル・グランディ博士と、スイス科学アカデミーの惑星科学者で地球化学者のクリス・グラインが主導した2つの最近の研究の発見と一致している。どちらの研究でも、グランディ、グリアンらはエリスとマクマックのメタン中の重水素/水素(D/H)比を測定し、メタンは純粋ではないと結論付けた。むしろ、これらの比率はメタンが地表内で処理された後に地表に輸送された結果であると彼らは考えている。
「セドナ、ゴンゴン、クオールにも同じことが当てはまるのではないかと考えています」とエメリー氏は語った。 「また、セドナ、ゴンゴン、クイアルのスペクトルが、より小さなKBOのスペクトルとは大きく異なることもわかりました。最近の2回の会議で、JWSTのデータは、より小さなKBOが3つのグループに分類されることを示しましたが、どれもこれら3つに似ていませんでした。この結果は、私たちの3つのより大きな天体が異なる地熱履歴を持っていることと一致しています。」
地球と比較した最大の 8 つの NEO (すべて縮尺あり)。画像出典: NASA/Lexicon
研究結果の影響
これらの発見は、KBO、TNO、および太陽系外の他の天体の研究に大きな影響を与える可能性があります。これには、揮発性化合物が固体として凍る境界である霜線を超えた惑星系における物体の形成に関する新たな洞察が含まれます。私たちの太陽系では、海王星横断領域は窒素線に対応しており、そこでは物体が凝固点の非常に低い揮発性物質（窒素、メタン、アンモニアなど）を大量に保持していることになります。エメリー氏は、今回の発見は、この地域の物体がどのような進化過程を経ているかを示しているとも述べた。
「主な影響は、内部での再処理や、元の氷の区別さえも可能になるほど十分に暖かくなったKBOのサイズを見つけることかもしれない。また、これらのスペクトルを使用して、太陽系の外表面での氷の照射過程をよりよく理解することもできる。将来の研究では、軌道の任意の部分におけるこれらの天体の揮発性の安定性と大気の可能性をより詳細に観察することもできるだろう。」
この研究の結果は、昨年初めに運用開始されて以来、その価値を何度も証明してきた JWST の能力を実証しています。また、ウェッブは、遠く離れた惑星、銀河、宇宙の大規模構造についての新たな洞察と画期的な発見に加えて、宇宙の小さな一角についても明らかにできることを私たちに思い出させてくれます。
「JWSTのデータは素晴らしいです」とエメリー氏は付け加えた。 「地上で観測できるよりも長い波長のスペクトルを取得できるため、これらの氷を検出できるようになります。」新しい波長範囲で観察を行う場合、初期データの品質が低下することがあります。 JWST は、新しい波長範囲を開拓するだけでなく、太陽系の外表面のさまざまな物質に敏感な高品質のデータも提供します。 」
Universe Today に掲載された記事をもとに編集されました。