由中佛罗里达大学领导的一个研究小组在海王星外天体上发现了大量古代二氧化碳和一氧化碳冰，这表明二氧化碳可能在我们太阳系的形成过程中就已经存在。
艺术家对柯伊伯带天体 (KBO) 的想象图，该天体位于太阳系外缘，距离太阳惊人的 40 亿英里。图片来源：NASA、ESA 和 G. Bacon (STScI)
由中佛罗里达大学领导的一个研究小组在海王星外天体上发现了大量古代二氧化碳和一氧化碳冰，这表明二氧化碳可能在我们太阳系的形成过程中就已经存在。
首次在海王星外天体上检测到二氧化碳和一氧化碳冰（ TNOs）位于太阳系最外层区域。
由中佛罗里达大学佛罗里达太空研究所 (FSI) 的行星科学家 Mário Nascimento De Prá 和 Noemí Pinilla-Alonso 领导的研究小组利用詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST) 分析了 59 个海王星外天体和半人马座的化学成分。
这项发表在《自然天文学》上的开创性研究表明，，太阳系形成的巨大气体和尘埃旋转盘，需要进一步研究以了解一氧化碳冰的起源，因为它在海天星中也很普遍。在研究中。
研究人员报告称，在 JWST 观测到的 59 个物体样本中，在 56 个碳冰（ TNO ）中检测到了二氧化碳，在 28 个 碳冰（ TNO ） 中检测到了一氧化碳（加上 6 个可疑或边际检测）。研究表明，二氧化碳广泛存在于跨海王星群体的表面，与动力学类别和体型大小无关，而一氧化碳仅在二氧化碳丰度高的物体中检测到。
作为 DiSCo 大型计划的一部分，JWST 获得的富含碳挥发性冰的海王星外天体表面光谱。二氧化碳 (CO2)、其同位素体 (13CO2) 和一氧化碳的吸收以黄色突出显示。太阳光（靠近图像中心）在数十亿英里之外的海王星外天体所在的地方变暗。图片来源：William Gonzalez Sierra，佛罗里达太空研究所
这项工作是 UCF 领导的“发现海王星外天体表面成分”计划 (DiSCo-TNOs) 的一部分，该计划是 JWST 专注于分析太阳系的计划之一。
“这是我们第一次观察到大量 碳冰（ TNO ） 的光谱区域，因此从某种意义上说，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。 “我们没想到二氧化碳在 TNO 地区如此普遍，更没想到一氧化碳存在于如此多的 TNO 地区。”
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如何迁移。
“海王星外天体是行星形成过程中的遗迹，”德普拉说。 “这些发现可以对这些物体的形成地点、它们如何到达当今居住的区域以及它们的表面自形成以来如何演变施加重要的限制。因为它们形成于距太阳更远的地方并且比行星小，所以它们包含有关原行星盘原始组成的原始信息。”
记录远古冰
在由新地平线号探测器发射，但直到 JWST 才出现了一个足够强大的天文台，可以精确定位和探测最大数量的 TNO 上一氧化碳冰或二氧化碳冰的痕迹。
二氧化碳常见于太阳系的许多物体中。因此，DiSCo 团队对此很感兴趣。
之前没有在海天组织上检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埋在其他不易挥发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，根据研究。
de Prá 说，碳冰（TNO ）上二氧化碳和一氧化碳的发现提供了一些背景信息，同时也提出了许多问题。
“虽然二氧化碳可能是从原行星盘中吸积的，但一氧化碳的来源更加不确定，”他说。 “即使在 TNO 的寒冷表面，后者也是一种挥发性冰。我们不能排除一氧化碳最初是积聚的，并以某种方式保留至今。然而，数据表明它可能是由含碳冰的辐射产生的。”
铺天盖地的答案
皮尼拉-阿隆索是这项研究的共同作者，也是 DiSCo-TNOs 项目的领导者，他表示，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。
“在海王星外天体上发现二氧化碳令人兴奋，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品中两种不同的表面成分。在一些 碳冰（ TNO ）中，二氧化碳与甲醇、水冰和硅酸盐等其他材料混合。然而，在另一组中——二氧化碳和一氧化碳是主要的表面成分——光谱特征非常独特。这种明显的二氧化碳印记不同于在其他太阳系天体上观察到的任何痕迹，甚至不同于在实验室环境中复制的任何痕迹。”
皮尼拉-阿隆索说，现在看来很清楚，当二氧化碳丰富时，它似乎与其他材料分离，但这本身并不能解释带的形状。她说，了解这些二氧化碳带是另一个谜团，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。
皮尼拉-阿隆索说，人们普遍认为，碳冰（ TNO ）中可能存在二氧化碳，因为彗星中二氧化碳以气态存在，两者的成分相当。
“在彗星中，我们观察到二氧化碳是一种气体，是由表面或表面下方的冰升华释放出来的，”她说。 “然而，由于从未在 TNO 表面观察到二氧化碳，人们普遍认为二氧化碳被困在地表以下。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 TNO 表面，而且比水冰更常见，而我们之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 TNO 组成的理解，并表明影响其表面的过程比我们想象的更为复杂。”
解冻数据
研究合著者、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埃尔莎·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解释了 JWST 的观测结果。
埃诺分析并比较了所有物体的二氧化碳和一氧化碳的吸收带。埃诺说，虽然有充足的证据表明存在冰，但其丰度和分布却存在很大差异。
“虽然我们发现二氧化碳在 碳冰（ TNO ） 中无处不在，但它的分布绝对不均匀，”她说。 “有些物体二氧化碳含量很低，而另一些物体二氧化碳含量非常丰富，并显示出一氧化碳。有些物体显示出纯二氧化碳，而另一些物体则与其他化合物混合。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。”
埃诺说，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。
“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，”她说。 “我们目前正在通过将观察结果与离子辐照实验进行比较来探索这一假设，离子辐照实验可以重现 TNO 表面的冷冻和电离条件。”
埃诺表示，这项研究为近 30 年前发现 碳冰（ TNO ）以来长期存在的问题提供了一些明确的答案，但研究人员仍有很长的路要走。
“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。整个光谱范围内的观测结果非常丰富，肯定会让科学家们在未来几年里忙碌不已。”
尽管DiSCo计划的观测已接近结论，但对结果的分析和讨论仍有很长的路要走。德普拉说，从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。
“我们只触及了这些物体的组成成分以及它们是如何形成的表面，”他说。 “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，并了解它们的形成情景、动态演化、挥发物保留和整个太阳系历史中的辐射机制之间的相互作用。”
参考文献：
“Widespread CO2 and CO ices in the trans-Neptunian population revealed by JWST/DiSCo-TNOs” by Mário N. De Prá, Elsa Hénault, Noemí Pinilla-Alonso, Bryan J. Holler, Rosario Brunetto, John A. Stansberry, Ana Carolina de Souza Feliciano, Jorge M. Carvano, Brittany Harvison, Javier Licandro, Thomas G. Müller, Nuno Peixinho, Vania Lorenzi, Aurélie Guilbert-Lepoutre, Michele T. Bannister, Yvonne J. Pendleton, Dale P. Cruikshank, Charles A. Schambeau, Lucas McClure and Joshua P. Emery, 22 May 2024, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-024-02276-x
The research was funded by NASA.