شاهکار جدید جیمز وب؛ شناسایی یخ های کربنی در دوردست‌‌ترین نقاط منظومه شمسی!

یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه فلوریدای مرکزی (UCF)، مقدار قابل‌توجهی از دی‌اکسید کربن باستانی و یخ‌های مونوکسید کربن را در اجرام فرا نپتونی (TNOs) کشف کردند. این یافته نشان می‌دهد که احتمالاً در طول شکل‌گیری منظومه‌ی شمسی کربن دی‌اکسید حضور داشته است.

برای اولین بار است که یخ‌های دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن بر روی اجرام فرا نپتونی در بیرونی‌ترین مناطق منظومه شمسی شناسایی شده‌اند.

تیمی از دانشمندان سیاره‌شناسی به رهبری ماریو ناسیمنتو دِ-پرا و نومی پینیلا-آلونسو از موسسه فضایی فلوریدا (FSI) با استفاده از قابلیت‌های طیف مادون قرمز تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به این نتیجه دست یافتند. آنها ترکیب شیمیایی 59 جرم فرا نپتونی و قنطورس را بررسی کردند.

این مطالعه پیشگامانه که در مجله Nature Astronomy منتشر شده است، نشان می‌دهد یخ دی‌اکسید کربن در نواحی سرد بیرونی قرص پیش‌سیاره‌ای، یعنی قرص چرخان عظیمی از گاز و غبار که منظومه شمسی از آن تشکیل شده، به‌صورت فراوان وجود داشته است. با این حال، تحقیقات بیشتری برای درک منشأ یخ مونوکسید کربن که در اجرام فرا نپتونی مطالعه‌شده نیز رایج بوده، مورد نیاز است.

محققان وجود دی‌اکسید کربن را در 56 جرم فرا نپتونی و مونوکسید کربن را در 28 جرم (به‌علاوه شش مورد با تشخیص‌های مشکوک یا حاشیه‌ای) از مجموعه 59 شی مشاهده شده با JWST گزارش کردند. این مطالعه نشان می‌دهد که دی‌اکسید کربن در سطوح اجرام فرا نپتونی، بدون توجه به کلاس دینامیکی و اندازه آنها، گستردگی فراوانی دارد، در حالیکه مونوکسید کربن تنها در اجسامی با دی‌اکسید کربن فراوان شناسایی شده است.

این کار بخشی از برنامه کشف ترکیبات سطحی اجرام فرا نپتونی (DiSCo-TNOs) است که توسط UCF رهبری می‌شود و قسمتی از برنامه‌های JWST است که بر تجزیه و تحلیل منظومه شمسی ما تمرکز دارد.

د-پرا، یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید:

این اولین باری است که ما این ناحیه از دامنه‌ی طیفی را برای مجموعه بزرگی از اجرام ترانس-نپتونی را مشاهده کرده‌ایم، بنابراین به یک معنا، همه چیزهایی که دیدیم هیجان‌انگیز و منحصربه‌فرد بود. ما انتظار نداشتیم که دی‌اکسید کربن در این منطقه در بیشتر اجزا وجود داشته باشد و حتی در مورد مونوکسید کربن انتظارات بسیار پایین‌تر از مقدار حاصل بود.

او افزود که کشف یخ‌ها می‌تواند به ما در درک بهتر نحوه‌ی شکل‌گیری منظومه شمسی و خروج اجرام آسمانی از منظومه کمک کند.

د-پرا می‌گوید:

اجرام فرا نپتونی یادگاری از فرآیند شکل‌گیری سیارات هستند. این یافته‌ها می‌توانند محدودیت‌های مهمی را در مورد محل شکل‌گیری این اجرام، نحوه رسیدن آنها به منطقه‌ای که امروزه در آن قرار دارند و چگونگی تکامل سطوح آنها از زمان شکل‌گیری، فراهم کنند. از آنجا که آنها در فواصل دورتر از خورشید تشکیل شده‌اند و از سیارات کوچک‌تر هستند، اطلاعاتی بکر در مورد ترکیب اصلی قرص پیش‌سیاره‌ای در اختیار ما می‌گذارند.

ثبت تاریخچه‌ی یخ‌های باستانی

یخ مونوکسید کربن روی پلوتو توسط کاوشگر نیوهورایزنز مشاهده شد، اما تا زمانی که جیمز وب،  این رصدخانه‌ی قدرتمند برای شناسایی یخ مونوکسید کربن یا دی‌اکسید کربن بر روی بزرگترین جمعیت اجرام فرا نپتونی وجود نداشت، چنین کشفی ممکن نبود.

دی‌اکسید کربن معمولاً در بسیاری از اجرام منظومه شمسی ما یافت می‌شود. بنابراین، تیم DiSCo کنجکاو بود که ببیند آیا فراتر از نپتون مقادیر بیشتری از این گاز وجود دارد یا خیر.

دلایل احتمالی عدم شناسایی قبلی یخ دی‌اکسید کربن در اجرام فرا نپتونی شامل فراوانی کمتر، مدفون شدن دی‌اکسید کربن غیرفرار در زیر لایه‌های دیگر یخ‌های کمتر فرار و مواد نسوز، تبدیل به مولکول‌های دیگر از طریق تابش و محدودیت‌های مشاهده‌ای ساده می‌شد.

د-پرا می‌گوید که کشف دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن در  این اجرام، زمینه‌ را برای یافتن یک سری از پاسخ‌ها فراهم کرده و در عین حال سوالات زیادی را نیز مطرح می‌کند.

او گفت:

در حالی که دی‌اکسید کربن احتمالاً از دیسک پیش‌سیاره‌ای جمع شده است، منشأ مونوکسید کربن نامشخص‌ است. این ماده حتی در سطوح سرد اجرام فرا نپتونی یک یخ فرار است. ما نمی‌توانیم این احتمال را رد کنیم که مونوکسید کربن از ابتدا تجمع یافته و به نوعی تا به امروز حفظ شده است. با این حال، داده‌ها نشان می‌دهند که این یخ می‌تواند توسط پرتو افکنی یخ‌های حاوی کربن نیز تولید شود.

سیلابی از پاسخ‌ها

پینیلا-آلونسو، که یکی از نویسندگان این مطالعه و همچنین رهبر برنامه DiSCo-TNOs است، بیان می‌کند که تأیید وجود دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن در اجرام فرا نپتونی، فرصت‌های بی‌شماری را برای مطالعات بیشتر و تعیین دقیق چگونگی و دلیل وجود آن‌ها فراهم می‌کند.

او می‌گوید:

کشف دی‌اکسید کربن در اجرام فرا نپتونی بسیار هیجان‌انگیز بود، اما ویژگی‌های جذاب‌تری نیز وجود دارد. اثر طیفی دی‌اکسید کربن دو ترکیب سطحی مجزا را در نمونه ما نشان داد. در برخی از اجرام فرا نپتونی، دی‌اکسید کربن با مواد دیگری مانند متانول، آب یخ‌زده، و سیلیکات‌ها مخلوط می‌شود. اما در یک گروه دیگر، که در آن دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن اجزای اصلی سطح هستند، امضای طیفی به‌طرز شگفت‌انگیزی منحصربه‌فرد بود. این اثر واضح از دی‌اکسید کربن شبیه چیزی است که در دیگر اجرام منظومه شمسی مشاهده شده یا حتی در آزمایشگاه‌ها تکرار شده است.

اگرچه اکنون به‌نظر می‌رسد که دی‌اکسید کربن در صورت فراوانی، از مواد دیگر جدا شده باشد، پینیلا-آلونسو می‌گوید که این موضوع به تنهایی نمی‌تواند شکل نوارهای طیفی را توضیح دهد. او می‌افزاید که درک این نوارهای دی‌اکسید کربن، راز دیگری است که احتمالاً به ویژگی‌های نوری منحصر به‌فرد و نحوه انعکاس یا جذب نور خاص آن‌ها مرتبط است.

پینیلا-آلونسو ادامه می‌دهد که پیش‌تر نظریه‌هایی وجود داشت که احتمال می‌داد دی‌اکسید کربن ممکن است در اجرام فرا نپتونی وجود داشته باشد، زیرا دی‌اکسید کربن به‌صورت گازی در دنباله‌دارها، که از نظر ترکیب مشابه هستند، نیز وجود دارد.

او می‌گوید:

در دنباله‌دارها، دی‌اکسید کربن به‌عنوان یک گاز مشاهده می‌شود که از تصعید یخ‌ها در سطح یا درست زیر سطح آزاد می‌شود. با این حال، از آنجایی که دی‌اکسید کربن هرگز روی سطح اجرام فرا نپتونی مشاهده نشده بود، باور رایج این بود که در زیر سطح آن‌ها به دام افتاده است. یافته‌های اخیر این تصور را تغییر می‌دهد. اکنون می‌دانیم که دی‌اکسید کربن نه تنها در سطح آن‌ها وجود دارد، بلکه از آب یخ‌زده نیز رایج‌تر است، ماده‌ای که قبلاً فکر می‌کردیم فراوان‌ترین ماده سطحی در این اجرام باشد. این کشف بزرگ درک ما از ترکیب اجرام فرا نپتونی را به‌طرز چشمگیری تغییر داده و نشان می‌دهد که فرآیندهای مؤثر در سطح آن‌ها بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که ما قبلاً تصور می‌کردیم.»

استفاده از داده‌ها

دیگر نویسندگان این مطالعه، یعنی السا هنو، دانشجوی دکتری در انستیتو اخترفیزیک فضایی دانشگاه پاریس-ساکلی و مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه، و روزاریو برونتو، ناظر هنو، دیدگاهی آزمایشگاهی و شیمیایی را در تفسیر مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب به‌کار بردند.

هنو نوارهای جذب دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن را در تمامی اجرام تجزیه و تحلیل و مقایسه کرد. او می‌گوید در حالیکه شواهد زیادی از یخ وجود دارد، تنوع زیادی در فراوانی و نحو توزیع آن‌ها مشاهده می‌شود.

او ادامه می‌دهد:

ما دریافتیم که دی‌اکسید کربن در همه‌ جای اجرام فرا نپتونی وجود دارد، اما به‌طور یکنواخت توزیع نشده است. برخی از اجرام از نظر دی‌اکسید کربن ضعیف هستند، در حالی که برخی دیگر از دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن بسیار غنی‌اند. در برخی از این اجرام دی‌اکسید کربن به‌صورت خالص را یافت می‌شود، در حالی که برخی دیگر  با سایر ترکیبات مخلوط شده است. پیوند دادن ویژگی‌های دی‌اکسید کربن به پارامترهای مداری و فیزیکی اجرام به ما این امکان را خواهد داد که نتیجه بگیریم تغییرات دی‌اکسید کربن چگونه به مناطق مختلف شکل‌گیری هر کدام از این اجرام و نحوه‌ی تکامل اولیه آن‌ها وابسته است.

به گفته هنو، تجزیه و تحلیل‌های انجام شده احتمال وجود دی‌اکسید کربن در دیسک پیش‌سیاره‌ای را بسیار محتمل می‌سازد، اما مونوکسید کربن به احتمال زیاد منشأ اولیه ندارد.

او می‌گوید:

مونوکسید کربن ممکن است از طریق بمباران مداوم یونی که از خورشید یا منابع دیگر به اجرام فرا نپتونی می‌رسد، به‌طور مؤثری تشکیل شده باشد. ما در حال حاضر در حال بررسی این فرضیه با مقایسه مشاهدات با آزمایش‌های تابش یونی هستیم که می‌تواند شرایط انجماد و یونیزاسیون سطح این اجرام را بازتولید کند.

هنو بیان می‌کند که این تحقیق پاسخ‌های قطعی به سؤالات دیرینه مربوط به زمان کشف اجرام فرا نپتونی در حدود 30 سال پیش، ارائه کرده است، اما محققان هنوز راه زیادی در پیش دارند.

او می‌گوید:

اکنون سؤالات جدیدی مطرح شده است، به‌ویژه در رابطه با منشأ و تکامل مونوکسید کربن. مشاهدات در سراسر محدوده طیفی به قدری غنی هستند که قطعاً دانشمندان را برای سال‌های آینده مشغول خواهند کرد.

اگرچه مشاهدات برنامه DiSCo در حال اتمام است، تجزیه، تحلیل و بحث در مورد نتایج هنوز راه طولانی در پیش دارد. د-پرا می‌گوید:

دانش بنیادی به‌دست‌آمده از این مطالعه، مکمل مهمی برای تحقیقات آینده در زمینه علوم سیاره‌ای و نجوم خواهد بود.

او ادامه می‌دهد:

ما فقط سطح این اجرام و مواد سازنده آن‌ها را بررسی کرده‌ایم. اکنون باید رابطه بین این یخ‌ها و سایر ترکیبات موجود در سطوح آن‌ها را درک کنیم و به تعامل بین سناریوی شکل‌گیری، تکامل دینامیکی، حفظ مواد فرار و مکانیسم‌های تابش در طول تاریخ منظومه شمسی پی ببریم.

منبع: Scitechdaily