韦伯望远镜在太阳系外缘发现了碳冰

由加州大学旧金山分校领导的一个研究小组在跨海王星天体上发现了大量古代二氧化碳和一氧化碳冰，这表明在太阳系形成过程中可能存在二氧化碳。由来自中佛罗里达大学佛罗里达空间研究所（FSI）的行星科学家马里奥-纳西门托-德普拉（Mário Nascimento De Prá）和诺埃米-皮尼利亚-阿隆索（Noemí Pinilla-Alonso）领导的研究小组利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的红外光谱功能分析了59个跨海王星天体和半人马座的化学成分，从而得出了上述发现。

柯伊伯带天体（KBO）的艺术家印象图，该天体位于太阳系外缘，与太阳的距离达到惊人的 40 亿英里。图片来源：NASA、ESA 和 G. Bacon（STScI）

这项发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上的开创性研究表明，二氧化碳冰在原行星盘的寒冷外围区域非常丰富，而太阳系正是从这个由气体和尘埃组成的巨大旋转盘中形成的。要了解一氧化碳冰的起源还需要进一步的研究，因为一氧化碳冰也普遍存在于研究中的 TNO（海王星外天体）中。

研究人员报告说，在用 JWST 观测的 59 个天体样本中，在 56 个近地天体中探测到了二氧化碳，在 28 个天体中探测到了一氧化碳（另外还有 6 个天体的探测结果可疑或微弱）。研究称，二氧化碳广泛存在于跨海王星群体的表面，与动力学类别和天体大小无关，而一氧化碳只在二氧化碳丰度较高的天体中被探测到。

作为 DiSCo 大型计划的一部分，利用 JWST 获得的富含碳挥发性冰的跨海王星天体表面的光谱。二氧化碳（CO2）、其同位素（13CO2）和一氧化碳的吸收用黄色标出。太阳（靠近图像中心）的光线在数十亿英里以外的地方变得暗淡，那里就是跨海王星天体所在的地方。图片来源：佛罗里达太空研究所 William Gonzalez Sierra

这项工作是由加州大学旧金山分校领导的"发现跨海王星天体表面成分"计划（DiSCo-TNOs）的一部分，该计划是JWST重点分析太阳系的计划之一。

这项研究的共同作者 de Prá 说："这是我们第一次观测到大量 TNOs 的这一光谱区域，因此从某种意义上说，我们所看到的一切都是令人兴奋的，也是独一无二的。我们没想到二氧化碳在 TNO 区域如此普遍，更没想到一氧化碳存在于如此多的 TNO 中。"

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可能是如何迁移的。

de Prá说："外海王星天体是行星形成过程中的遗迹。这些发现可以对这些天体的形成地点、它们如何到达如今居住的区域以及它们的表面自形成以来是如何演变的提供重要的限制。由于它们是在距离太阳更远的地方形成的，而且比行星更小，因此它们包含了有关原行星盘原始成分的原始信息。"

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 才有一个足够强大的观测站来精确定位和探测最大的 TNOs 群上的一氧化碳冰或二氧化碳冰的痕迹。

二氧化碳通常存在于太阳系的许多天体中。因此，DiSCo 小组很想知道在海王星之外是否存在更多的二氧化碳。

该研究称，以前在 TNOs 上没有探测到二氧化碳冰的可能原因包括：丰度较低；随着时间的推移，非挥发性二氧化碳被其他挥发性较低的冰层和耐火材料层所掩埋；通过辐照转化为其他分子；以及简单的观测局限性。

de Prá说，在TNOs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："二氧化碳可能是从原行星盘中吸积而来，而一氧化碳的来源则更加不确定。一氧化碳是一种易挥发的冰，即使在 TNOs 的寒冷表面也是如此。我们不能排除一氧化碳是原始吸积并以某种方式保留至今的可能性。不过，数据表明，它可能是由含碳冰的辐照产生的。"

答案雪崩

皮尼利亚-阿隆索（Pinilla-Alonso）是这项研究的合著者之一，同时也是 DiSCo-TNOs 项目的负责人，他说，确认 TNOs 上存在二氧化碳和一氧化碳为进一步研究和量化二氧化碳和一氧化碳的存在方式或原因提供了很多机会。

她说："在跨海王星天体上发现二氧化碳令人激动，但更令人着迷的是它的特性。二氧化碳的光谱印记揭示了我们样本中两种截然不同的表面成分。在一些近地天体中，二氧化碳与甲醇、水冰和硅酸盐等其他物质混合在一起。然而，在另一组中--二氧化碳和一氧化碳是主要的表面成分--光谱特征却非常独特。这种鲜明的二氧化碳印记不同于在其他太阳系天体上观测到的任何现象，甚至也无法在实验室环境中复制。"

现在看来很清楚的一点是，当二氧化碳含量丰富时，它似乎与其他物质隔离开来，但仅凭这一点并不能解释条带的形状。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。人们普遍认为，在构成成分相似的彗星中，二氧化碳以气态存在，因此在近地天体中可能存在二氧化碳。

她说："在彗星中，我们观察到二氧化碳是一种气体，是由表面或表面下的冰升华释放出来的。然而，由于从未在近地天体表面观测到二氧化碳，人们普遍认为二氧化碳被困在表面之下。我们的最新发现颠覆了这一观点。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，而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 成分的理解，并表明影响其表面的过程比我们想象的要复杂得多。"

解冻数据

该研究的共同作者、巴黎-萨克雷大学天体物理空间研究所和法国国家科学研究中心的博士生艾尔莎-埃诺（Elsa Hénault）和埃诺的导师罗萨里奥-布鲁内托（Rosario Brunetto）从实验室和化学角度对JWST的观测结果进行了解读。

Hénault 对所有天体的二氧化碳和一氧化碳吸收带进行了分析和比较。Hénault说，虽然有大量证据表明存在冰，但在丰度和分布上存在很大差异。

她说："虽然我们发现二氧化碳在近地天体中无处不在，但其分布绝对不均匀。有些天体的二氧化碳含量很低，而有些天体的二氧化碳含量很高，还显示出一氧化碳。有些天体显示的是纯二氧化碳，而有些天体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，我们可以得出结论：二氧化碳的变化很可能代表了天体的不同形成区域和早期演化。"

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气体，Hénault 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，我们目前正在探索这一假设，将观测结果与离子辐照实验进行比较，离子辐照实验可以再现 TNO 表面的冷冻和电离条件。"

这项研究为近 30 年前发现的 TNOs 等长期存在的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。

这又让他们又提出了其他问题。尤其是考虑一氧化碳的起源和演变。整个光谱范围内的观测结果非常丰富，肯定会让科学家们忙上好几年。

虽然 DiSCo 计划的观测工作已接近尾声，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对未来行星科学和天文学研究的重要补充："对于这些天体是由什么构成的以及它们是如何形成的，我们只是略知一二。我们现在需要了解这些冰与存在于其表面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、动态演化、挥发物保留和辐照机制之间的相互作用。"

编译自/ScitechDaily