Ovanlig strålning av flyktig gas ses från den isiga Centaur 29P

 

Bild  https://webbtelescope.org/  En konstnärs koncept av Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1:s utgasningsaktivitet.

Kentaurer (asteroider) är avlägsna objekt som kretsar runt solen mellan Jupiter och Neptunus. NASA:s James Webb Space Telescope har kartlagt gaser som kommer från ett av dessa objekt (Centaur 29P) resultatet tyder på en varierad sammansättning av gasen och ger nu nya insikter om hur solsystemet bildades och utvecklades. Dessa små isiga objekt kallade centaurer befinner sig i en övergångsfas och har varit föremål för olika studier av forskare som försöker förstå deras sammansättning, orsakerna bakom deras utgasningaktivitet - förlusten av deras is som finns under ytan - och hur de fungerar som en länk mellan ursprungliga isiga kroppar i det yttre av solsystemet och  kometer.

Ett team av forskare använde nyligen Webbsinstrument NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) för att samla in data om Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1, ett objekt som är känt för sina mycket aktiva och kvasiperiodiska utbrott av gas. Gasen varierar i intensitet var sjätte till åttonde vecka vilket gör asteroiden till ett av de mest aktiva objekten i det yttre av solsystemet. Det upptäcktes en  stråle av kolmonoxid (CO) och tidigare osedda jetstrålar av koldioxid (CO2) vilket ger nya ledtrådar till vad kentaurens kärna består av.

"Kentaurer kan betraktas som rester från vårt planetsystems bildande. Eftersom de lagras vid mycket kalla temperaturer bevarar de information om flyktiga ämnen från de tidiga stadierna av solsystemet, beskriver Sara Faggi vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och American University i Washington, DC, vilken är huvudförfattare till studien. "Webb öppnade verkligen dörren till en betydligt bättre upplösning i bilder och känslighet som imponerade på oss – när vi såg datan för första gången blev vi entusiastiska. Vi hade aldrig sett något liknande." beskriver Faggi.

Kentaurers avlägsna omloppsbanor och därav följande ljussvaghet har tidigare hindrat detaljerade observationer. Data från tidigare radiovåglängdsobservationer av Centaur 29P visade en jetstråle som i allmänhet pekade mot solen (och jorden) och bestod av CO. Webb upptäckte denna jetstråle rakt framifrån och tack vare dess stora spegel- och infraröda kapacitet söktes efter  andra kemikalier, inklusive vatten (H2O) och CO2. Det senare (CO2) är en av de viktigaste gaserna där kol lagras i hela solsystemet. Inga tydliga tecken på vattenånga upptäcktes i atmosfären hos 29P, vilket skulle kunna relateras till de extremt kalla temperaturerna i kentauren.

Teleskopets unika avbildnings- och spektraldata avslöjade aldrig tidigare skådade egenskaper: två jetstrålar av CO2 som kommer från norr och söder, och en annan bestående av kolmonoxid  (CO)  som pekar mot norr. Detta var den första definitiva upptäckten av CO2 (koldioxid)  i Centaur 29P.

Baserat på de data som Webb samlat in skapade teamet en 3D-modell av jetstrålarna för att förstå deras orientering och ursprung. De fann genom sina datamodeller att jetstrålarna sändes ut från olika regioner av  kentaurens kärna. Jetstrålarnas vinklar antyder möjligheten att kärnan kan vara ett aggregat av distinkta objekt med olika sammansättningar. Andra scenarier kan dock inte uteslutas.

– Det faktum att Centaur 29P har så dramatiska skillnader i mängden CO och CO2 på dess yta tyder på att 29P kan bestå av flera bitar, beskriver Geronimo Villanueva, medförfattare till studien vid NASA Goddard. – Kanske var det två delar (två mindre asteroider som smält samman) och skapade den här kentauren som är en blandning av väldigt olika kroppar som genomgick olika bildningsvägar. Det utmanar våra föreställningar om hur de första objekten skapades varav många lagrades i Kuiperbältet i solsystemets yttre. 

Orsakerna till Centaur 29P:s olika ljusstyrka och mekanismerna bakom dess utgasningsaktivitet av CO och CO2  fortsätter att vara två stora intresseområden som kräver ytterligare undersökning.

När det gäller kometer vet forskarna att deras jetstrålar ofta drivs av utgasning av vatten (då de närmar sig solen). Men på grund av kentaurernas läge är de för kalla för att vattenis ska kunna sublimera, vilket innebär att karaktären på deras utgasningsaktivitet skiljer sig från kometer.

"Vi hade bara tid att titta på det här objektet en gång, som en ögonblicksbild i tiden", beskriver Adam McKay, medförfattare till studien vid Appalachian State University i Boone, North Carolina. – Jag skulle vilja gå tillbaka och titta på Centaur 29P under en mycket längre tidsperiod. Har jetstrålarna alltid den inriktningen? Finns det kanske en till  kolmonoxidstråle som slås på vid en annan punkt i rotationsperioden? Att titta på dessa jetstrålar över tid skulle ge oss mycket bättre insikter om vad som driver dessa utbrott."

Fynd av koldioxid på månen Ariel ger misstanke om hav under dess isbelagda yta.

 

Ariel består av ungefär 70 % is (koldioxidis och möjligen metanis) och 30 % silikater månen ser ut att ha färsk frost på vissa platser.

Uranus måne Ariel täcke av koldioxidis finns speciellt på  sidan som alltid är vänd bort från månens bana runt Uranus.

Forskare har arbetat fram teorier om vad det är något som ger koldioxid till Ariels yta. Vissa anser att interaktion mellan månens yta och laddade partiklar i Uranus magnetosfär skapar koldioxiden genom en process som kallas radiolys när molekyler bryts ner av joniserande strålning.

Men i en ny studie som publicerades den 24 juli 2024 i The Astrophysical Journal Letters tippar vågskålen till förmån för en alternativ teori - att koldioxid  mfl molekyler kommer från Ariels inre eventuellt från ett flytande hav under  ytan.

Genom att använda NASA:s James Webb Space Telescope för att samla in kemiskt spektra av vad månen innehåller och sedan jämföra resultatet med spektra av simulerade kemiska blandningar i laboratoriemiljö fann en forskargrupp ledd av Richard Cartwright vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland att Ariel har några av de mest koldioxidrika avlagringarna i hela solsystemet. Bland resultatet fanns ett annat förbryllande fynd: de första tydliga signalerna av kolmonoxid.

Man måste komma ner till ca -240 Celcius innan kolmonoxid är stabilt, beskriver Cartwright.

Men radiolys kan fortfarande vara ansvarigt för en del av  kolmonoxiden, tillade han. Laboratorieexperiment har visat att strålningsbombardemang i is av vatten blandat med kolrikt material kan producera både koldioxid och kolmonoxid. Således kan radiolys vara  källan till påfyllning och förklara det rika överflödet av båda molekylerna på Ariels bakre halvklot (det som alltid är vänt bort från Uranus).

Men många frågor kvarstår om Uranus magnetosfär ex omfattningen av dess växelverkan med Uranus övriga månar. Till och med under Voyager 2:s förbiflygning av Uranus för nästan 40 år sedan misstänkte forskare att sådana interaktioner dock kunde vara begränsade eftersom Uranus magnetfältsaxel och omloppsplanet för dess månar är förskjutna från varandra med cirka 58 grader.

Istället kan huvuddelen av koldioxiden komma från kemiska processer som skett (eller fortfarande pågår) i ett vattenhav under Ariels isiga yta, som träcker upp genom sprickor i månens isiga yttre eller möjligen till och med genom eruptiva plymer.

Dessutom antyder de nya spektrala observationerna att Ariels yta också kan hysa karbonatmineraler - salter som bara kan uppstå genom interaktion mellan flytande vatten och sten.

Bild wikipedia. Närbild på kanjoner nära Ariels gräns mellan den belysta och den skuggade delen av månen som alltid har samma sida vänd mot Uranus.

Det Saknas kolmonoxid i protoplanetära skivor.

 

Protoplanetära skivor finns runt en ny stjärna och här bildas planeter vilket gör dem till ett intressant studiemål för forskare. Astronomer har observerat att det finns  kolmonoxid i protoplanetära skivor. Föreningen är extremt ljusstark och extremt vanlig i dessa som består av damm och gas. 

Men under det senaste decenniet har man upptäckt att något inte stämt då det gäller kolmonoxidhalten som bör finnas här. En stor del av den kolmonoxid som enligt fysikens lagar ska finnas här saknas i alla observationer av de skivor man hittills observerat.

Men nyligen har dock en lösning på mysteriet uppstått genom ett tvärvetenskapligt samarbete vid UC Santa Cruz under ledning av Diana Powell vilken nyligen tog sin doktorsexamen i astrofysik vid UCSC 2021 och nu är NASA Hubble Fellow vid Center for Astrophysics | Harvard och Smithsonian.

I samarbete med Ruth Murray-Clay, Gunderson-professor i teoretisk astrofysik vid UCSC, och Xi Zhang docent i Earth and planetary sciences, utvecklade Powell en ny modell som indikerar att kolmonoxiden likväl finns där i den mängd som den bör finnas. Men den är dold i isformationer i de protoplanetära skivorna. Denna Modellösning på problemet validerades genom observationer av ALMA:s radioobservatorium. Forskarlaget har därefter rapporterat sina resultat i en artikel publicerad den 22 augusti i Nature Astronomy.

Detta kan och bör vara lösningen på ett av de största olösta problemen vi sett i protoplanetära skivor", säger Powell. "Beroende på vilket nytt solsystem som observerats är kolmonoxiden  tre till 100 gånger mindre i dessa skivor än det borde vara. Ett kolmonoxidfel kan få stora konsekvenser för astrokemin. Men nu verkar fallet löst då den försvunna kolmonoxiden hittats.

"Kolmonoxiden används i huvudsak till att spåra allt vi vet om skivorna - som massa, dess sammansättning och temperatur", förklarade Powell. "Det kan innebära att många av våra tidigare resultat av protoplanetära skivor har varit partiska och osäkra eftersom vi inte förstått dem tillräckligt bra."

Som doktorand vid UCSC studerade Powell planetbildning i protoplanetära skivor tillsammans med Murray-Clay och i ett separat projekt med Zhang studerade hon molnfysik i planetatmosfärer. Arbetet inom dessa två områden inspirerade henne att tillämpa en modelleringsmetod som används i molnfysik för att förstå bildandet av ispartiklar i protoplanetära skivor.

"Is är mycket viktiga byggstenar av planeter", förklarade Zhang.

Powell gjorde ändringar i en astrofysisk modell som används för att studera moln på exoplaneter.

"Det som verkligen är speciellt med den här modellen är att den visar detaljerad fysik för hur is bildas på partiklar", sa hon. – Alltså hur isen kärnas upp på små partiklar och sedan hur den kondenserar. Modellen spårar noggrant var isen finns vilken partikel isen finns på, hur stora partiklarna är, hur små de är och hur de rör sig.

Powell tillämpade denna anpassade modell på protoplanetära  skivor i hopp om att skapa en djupgående förståelse av hur kolmonoxid utvecklas över tid i protoplanetära skivor. För att testa modellens validitet jämförde Powell sedan dess utdata med  ALMA-observationer av kolmonoxid i fyra välstuderade skivor som har namnen TW Hya, HD 163296, DM Tau och IM Lup.

Den nya modellen radade upp sig med var och en av observationerna och visade att de fyra skivorna faktiskt inte alls saknade kolmonoxid. Det man saknat av den upptäcktes nu  dolt i is något som för närvarande inte kan upptäckas med ett optiskt teleskop.

Murray-Clay säger att de nya resultaten är ett inspirerande exempel på det tvärvetenskapliga tillvägagångssättet som främjas av UCSC: s Astrobiology Initiative. "Detta var kulmen då Diana förde in insikter från molnfysiken tillsammans med vårt arbete med protoplanetära skivor och det resulterade i detta vackra och oväntade resultat", sa hon.

"För mig var det en överraskning att den mycket småskaliga mikrofysiken hos dessa ispartiklar har en så storskalig inverkan att dess effekt kan detekteras ljusår bort i observationer av protoplanetära skivor", tillade Zhang.

Radioobservationer från ALMA observatoriet tillåter astronomer att se kolmonoxid i rymden i dess gasfas men is är mycket svårare att upptäcka med nuvarande teknik särskilt då stora isformationer, säger Powell.

Bild vikipedia. En konstnärs bild av en protoplanetär skiva.