詹姆斯韦伯太空望远镜在太阳系远端发现了碳冰

由UCF领导的一个研究小组在海王星外的物体上发现了古代二氧化碳和一氧化碳冰的显著存在，这表明二氧化碳可能在我们太阳系形成的过程中就存在了。

科学家首次在太阳系最外层的海王星外天体（TNOs）上发现了二氧化碳和一氧化碳的冰。

由中佛罗里达大学佛罗里达航天研究所（FSI）的行星科学家Mário Nascimento De Prá和NoemíPinilla Alonso领导的一个研究小组，利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的红外光谱能力分析了59个海王星外天体和半人马的化学成分，得出了这一发现。

这项发表在《自然天文学》上的开创性研究表明，二氧化碳冰在原行星盘的寒冷外部区域大量存在。原行星盘是由气体和尘埃组成的巨大旋转盘，太阳系就是由它形成的。需要进一步的调查来了解一氧化碳冰的起源，因为它在研究中也普遍存在于TNOs中。

研究人员报告说，在JWST观察到的59个物体样本中，有56个TNOs检测到二氧化碳，28个一氧化碳（加上6个可疑或边缘检测）。根据这项研究，二氧化碳在跨海王星种群的表面上广泛存在，与动态类别和体型无关，而一氧化碳仅在二氧化碳含量高的物体中被检测到。

这项工作是UCF领导的跨海王星天体表面成分发现计划（DiSCo TNOs）的一部分，该计划是JWST专注于分析我们太阳系的计划之一。

“这是我们第一次观察到大量TNO的光谱区域，所以从某种意义上说，我们看到的一切都是令人兴奋和独特的，”该研究的合著者de Prá说。“我们没有想到二氧化碳在TNO地区如此普遍，更没有想到一氧化碳在如此多的TNO中存在。”

他说，冰的发现可以进一步帮助我们了解太阳系的形成以及天体是如何迁移的。

de Prá说：“海王星外天体是行星形成过程的遗迹。这些发现可以对这些天体的形成地点、它们如何到达现在居住的地区，以及它们的表面自形成以来是如何演变的施加重要限制。因为它们形成于离太阳更远的地方，比行星小，所以它们包含了原行星盘原始组成的原始信息。”

古冰编年史

新视野号探测器在冥王星上观测到了一氧化碳冰，但直到JWST有了一个足够强大的天文台，才能在最大数量的TNOs上精确定位和探测到一氧化碳冰或二氧化碳冰的痕迹。

二氧化碳普遍存在于我们太阳系的许多物体中。因此，DiSCo团队很好奇，想知道它是否在海王星范围之外存在更多的数量。

根据这项研究，以前在TNOs上没有检测到二氧化碳冰的可能原因包括丰度较低，非挥发性二氧化碳随着时间的推移被埋在其他挥发性较低的冰和耐火材料层下，通过辐射转化为其他分子，以及简单的观测限制。

de Prá说，在TNO上发现二氧化碳和一氧化碳提供了一些背景，同时也提出了许多问题。

他说：“虽然二氧化碳可能是从原行星盘吸积而来的，但一氧化碳的来源却更不确定。后者是一种挥发性冰，即使在TNOs的寒冷表面也是如此。我们不能排除一氧化碳最初是被吸积的并且以某种方式被保留到现在。然而，数据表明，它可能是由含碳冰的辐射产生的。”

答案如雪崩般涌现

Pinilla Alonso表示，确认TNO上存在二氧化碳和一氧化碳，为进一步研究和量化其存在方式或原因提供了许多机会，她也是该研究的合著者并领导DiSCo TNO项目。

“在海王星外天体上发现二氧化碳是令人兴奋的，但更令人着迷的是它的特征，”她说。“二氧化碳的光谱印记揭示了我们样本中两种不同的表面成分。在一些TNOs中，二氧化碳与甲醇、水冰和硅酸盐等其他物质混合。然而，在另一组 —— 二氧化碳和一氧化碳是主要的表面成分 —— 光谱特征是惊人的独特。这种明显的二氧化碳印记不同于在太阳系其他天体上观察到的任何东西，甚至在实验室环境中也无法复制。”

皮尼拉-阿隆索说，现在看来很清楚，当二氧化碳含量丰富时，它似乎与其他物质隔绝，但这并不能单独解释带状结构。她说，理解这些二氧化碳带是另一个谜，可能与它们独特的光学特性以及它们如何反射或吸收特定颜色的光有关。

Pinilla Alonso说，通常的理论认为，二氧化碳可能存在于TNOs中，就像二氧化碳在彗星中以气态存在一样，两者的成分是相似的。

“在彗星上，我们观察到二氧化碳是一种气体，从表面上或表面以下的冰升华中释放出来，”她说。“然而，由于二氧化碳从未在TNOs表面被观察到，人们普遍认为它被困在地表以下。我们的最新发现颠覆了这一观念。我们现在知道，二氧化碳不仅存在于TNOs表面，而且比水冰更常见，我们以前认为水冰是最丰富的表面物质。这一发现极大地改变了我们对TNOs组成的理解，并表明影响其表面的过程比我们意识到的要复杂得多。”

解冻数据

研究合著者Elsa Hénault，巴黎萨克雷大学空间天体物理研究所和法国国家科学研究中心的博士生，以及Hénautt的导师Rosario Brunetto，从实验室和化学的角度解释了JWST的观测结果。

Hénault分析并比较了所有物体的二氧化碳和一氧化碳的吸收带。Hénault说，虽然有足够的证据表明存在冰，但冰的丰度和分布存在很大差异。

“虽然我们发现CO2在TNOs中无处不在，但它绝对不是均匀分布的，”她说。“有些物体的二氧化碳含量很低，而另一些物体的二氧化碳含量很高，并显示出一氧化碳。一些物体上显示的是纯二氧化碳，而另一些物体上则混合了其他化合物。将二氧化碳的特征与轨道和物理参数联系起来，使我们得出结论，二氧化碳的变化可能代表了物体的不同形成区域和早期演化。”

Hénault说，通过分析，原行星盘中很可能存在二氧化碳，但一氧化碳不太可能是原始的。

她说：“来自太阳或其他来源的持续离子轰击可以有效地形成一氧化碳。我们目前正在通过将观测结果与离子辐照实验进行比较来探索这一假设，离子辐照实验可以再现TNO表面的冻结和电离条件。”

Hénault说，这项研究为近30年前发现TNO以来的长期问题提供了一些明确的答案，但研究人员还有很长的路要走。

“现在提出了其他问题，”她说。“值得注意的是，考虑到一氧化碳的起源和演变。在整个光谱范围内的观测结果是如此丰富，它们肯定会让科学家们在未来几年里忙碌起来。”

尽管DiSCo项目的观测已接近尾声，但对结果的分析和讨论仍有很长的路要走。de Prá说，从这项研究中获得的基础知识，将被证明是未来行星科学和天文学研究的重要补充。

他说：“我们只是触及了这些物体的表面，以及它们是如何形成的。我们现在需要了解这些冰与其表面存在的其他化合物之间的关系，并了解它们在整个太阳系历史中的形成情景、动力学演化、挥发性保留和辐照机制之间的相互作用。”

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