«Джеймс Уэбб» нашёл крошечные ледяные тела, сохранившие вещество времён рождения Солнечной системы

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил двадцать семь ранее неизвестных транснептуновых объектов — крошечных ледяных тел, обращающихся вокруг Солнца за орбитой Нептуна. Некоторые из этих находок относятся к самым маленьким объектам внешней Солнечной системы, которые удалось увидеть напрямую. Их размеры и цвета помогают восстановить процессы, происходившие более четырёх миллиардов лет назад, когда формировались будущие планеты.

Наблюдения стали самым глубоким на сегодняшний день поиском транснептуновых объектов. Наземные обзоры обычно способны находить тела диаметром примерно от пятидесяти километров, прежние глубокие наблюдения «Хаббла» доходили примерно до тридцати километров. «Джеймс Уэбб» позволил изучить область размеров около десяти километров и тем самым заглянуть в ранее практически недоступную часть населения пояса Койпера. Самый маленький объект оценивается примерно в пять километров, хотя научная статья приводит более осторожную оценку: самая тусклая надёжная находка соответствует диаметру около десяти километров при предполагаемой отражательной способности поверхности в пятнадцать процентов. Размер таких тел нельзя напрямую измерить по изображению, поэтому результат зависит от принятого альбедо — более тёмный объект при той же яркости окажется крупнее, более светлый — меньше.

Как искали

Астрономы получили данные камерой NIRCam телескопа «Джеймс Уэбб». С двадцать четвёртого января по четвёртое февраля 2023 года обсерватория трижды снимала участок неба площадью около пяти сотых квадратного градуса с интервалами примерно в пять дней. Повторные наблюдения позволили отличить медленно движущиеся тела Солнечной системы от далёких неподвижных звёзд и галактик и уточнить их орбиты. Для поиска чрезвычайно слабых точек исследователи применили цифровое сложение кадров со сдвигом по предполагаемой траектории движения. Метод усиливает сигнал объекта, который почти теряется в шуме на одиночном снимке. После обработки кандидатов дополнительно проверяла нейросеть, обученная отсеивать ложные срабатывания.

«Хаббл» участвовал во второй части работы. Из двадцати семи находок «Джеймса Уэбба» астрономам удалось восстановить тринадцать в почти одновременных оптических наблюдениях и объединить видимый свет с инфракрасными измерениями. Совместный анализ охватил длины волн примерно от трёх десятых до трёх с небольшим микрометров и позволил сравнить цвета поверхностей маленьких объектов с более крупными представителями тех же семейств.

Неожиданно консервативный результат

Результат оказался неожиданно консервативным. Малые объекты из так называемой холодной классической популяции сохранили ту же узкую цветовую последовательность, которую астрономы раньше наблюдали у тел диаметром более тридцати–сорока километров. Исследователи не нашли признаков того, что уменьшение размера заметно меняет свойства поверхности. По мнению авторов, наблюдаемое сходство лучше согласуется с сохранением первичного состава, чем с интенсивным дроблением крупных тел при столкновениях.

Холодными называют транснептуновые объекты на почти круговых орбитах с небольшим наклонением. Считается, что значительная часть такого населения сформировалась примерно там же, где находится сейчас. Динамически возбуждённые, или горячие, объекты движутся по более вытянутым и наклонённым орбитам и, вероятно, возникли ближе к Солнцу, а затем были выброшены наружу во время миграции планет-гигантов.

Несмотря на разную историю, обе группы показали очень похожее распределение тел по размерам. Авторы считают результат признаком того, что механизм рождения планетезималей мог работать сходным образом при разных плотностях и температурах протопланетного диска. По современным моделям пыль и мелкие частицы сначала концентрировались в плотные облака, после чего собственная гравитация быстро собирала материал в более крупные тела.

Особенно важным оказался дефицит самых маленьких объектов. При простом продолжении некоторых прежних моделей к малым размерам исследователи ожидали увидеть больше тел, чем нашёл «Джеймс Уэбб». Наблюдаемое распределение становится более пологим, что может указывать на нижний масштаб, ниже которого формирование планетезималей шло менее эффективно. Авторы подчёркивают, что выборка пока невелика, поэтому точную форму распределения ещё предстоит проверить.

Транснептуновые объекты интересуют астрономов именно благодаря слабой геологической и столкновительной переработке. В отличие от крупных планет, многие небольшие тела провели миллиарды лет в холодной внешней части Солнечной системы и сохранили следы вещества, из которого собирались планеты. Наблюдения «Джеймса Уэбба» и «Хаббла» показывают, что такая память сохраняется даже у объектов размером с небольшой город.