Des scientifiques découvrent du CO₂ et des glaces de CO à la périphérie du système solaire

Pour la première fois, des glaces de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone ont été observées aux confins de notre système solaire sur des objets transneptuniens (TNO).

Une équipe de recherche, dirigée par les planétologues Mário Nascimento De Prá et Noemí Pinilla-Alonso du Florida Space Institute (FSI) de l'Université de Floride centrale, a fait ces découvertes en utilisant les capacités spectrales infrarouges du télescope spatial James Webb (JWST) pour analyser la composition chimique de 59 objets transneptuniens et centaures.

L'étude pionnière, publiée cette semaine dans Astronomie naturelle, suggère que la glace de dioxyde de carbone était abondante dans les régions extérieures froides du disque protoplanétaire, le vaste disque rotatif de gaz et de poussière à partir duquel le système solaire s'est formé. Des recherches plus approfondies sont nécessaires pour comprendre les origines de la glace de monoxyde de carbone, car elle est également répandue sur les TNO étudiés.

Les chercheurs ont rapporté la détection de dioxyde de carbone dans 56 TNO et de monoxyde de carbone dans 28 (plus six avec des détections douteuses ou marginales), sur un échantillon de 59 objets observés avec le JWST. Le dioxyde de carbone était répandu à la surface de la population transneptunienne, indépendamment de la classe dynamique et de la taille du corps, tandis que le monoxyde de carbone n'était détecté que dans les objets présentant une forte abondance de dioxyde de carbone, selon l'étude.

Ces travaux font partie du programme DiSCo-TNOs (Découverte des compositions de surface des objets transneptuniens) dirigé par l'UCF, l'un des programmes JWST axés sur l'analyse de notre système solaire.

“C'est la première fois que nous observons cette région du spectre pour une grande collection de TNO, donc dans un sens, tout ce que nous avons vu était passionnant et unique”, explique de Prá, co-auteur de l'étude. “Nous ne nous attendions pas à constater que le dioxyde de carbone était si omniprésent dans la région du TNO, et encore moins que le monoxyde de carbone était présent dans autant de TNO.”

La découverte des glaces peut nous aider à comprendre la formation de notre système solaire et la façon dont les objets célestes ont pu migrer, dit-il.

“Les objets transneptuniens sont des reliques du processus de formation planétaire”, explique de Prá. “Ces découvertes peuvent imposer des contraintes importantes sur l'endroit où ces objets se sont formés, comment ils ont atteint la région qu'ils habitent aujourd'hui et comment leurs surfaces ont évolué depuis leur formation. Parce qu'ils se sont formés à de plus grandes distances du soleil et sont plus petits que les planètes, ils contiennent les informations vierges sur la composition originale du disque protoplanétaire.

Chronique de la glace ancienne

De la glace de monoxyde de carbone a été observée sur Pluton par la sonde New Horizons, mais il a fallu attendre JWST pour qu'il existe un observatoire suffisamment puissant pour localiser et détecter des traces de glace de monoxyde de carbone ou de glace de dioxyde de carbone sur la plus grande population de TNO.

Le dioxyde de carbone est couramment présent dans de nombreux objets de notre système solaire. L’équipe DiSCo était donc curieuse de voir si elle existait en plus grande quantité au-delà des limites de Neptune.

Les raisons possibles de l'absence de détections antérieures de glace de dioxyde de carbone sur les TNO incluent une abondance plus faible, le dioxyde de carbone non volatil étant enfoui sous des couches d'autres glaces moins volatiles et des matériaux réfractaires au fil du temps, la conversion en d'autres molécules par irradiation et de simples limitations d'observation. , selon l'étude.

La découverte de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone sur les TNO fournit un certain contexte tout en soulevant de nombreuses questions, explique de Prá.

“Bien que le dioxyde de carbone ait probablement été accumulé à partir du disque protoplanétaire, l'origine du monoxyde de carbone est plus incertaine”, dit-il. “Ce dernier est une glace volatile même dans les surfaces froides des TNO. Nous ne pouvons pas exclure que le monoxyde de carbone ait été initialement accumulé et ait été retenu d'une manière ou d'une autre jusqu'à nos jours. Cependant, les données suggèrent qu'il pourrait être produit par l'irradiation. des glaces carbonées. »

Une avalanche de réponses

La confirmation de la présence de dioxyde de carbone et de monoxyde de carbone sur les TNO ouvre de nombreuses opportunités pour approfondir les études et quantifier comment ou pourquoi ils sont présents, explique Pinilla-Alonso, qui a également co-écrit l'étude et dirige le programme DiSCo-TNO.

“La découverte du dioxyde de carbone sur des objets transneptuniens était passionnante, mais ses caractéristiques étaient encore plus fascinantes”, dit-elle. “L'empreinte spectrale du dioxyde de carbone a révélé deux compositions de surface distinctes au sein de notre échantillon. Dans certains TNO, le dioxyde de carbone est mélangé à d'autres matériaux comme le méthanol, la glace d'eau et les silicates. Cependant, dans un autre groupe, où le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone sont les principaux composants de surface – la signature spectrale était étonnamment unique. Cette empreinte nette de dioxyde de carbone ne ressemble à rien de ce qui a été observé sur d’autres corps du système solaire ou même reproduit en laboratoire.

Il semble désormais clair que lorsque le dioxyde de carbone est abondant, il semble isolé des autres matériaux, mais cela n'explique pas à lui seul la forme de la bande, explique Pinilla-Alonso. Comprendre ces bandes de dioxyde de carbone est un autre mystère, probablement lié à leurs propriétés optiques uniques et à la manière dont elles réfléchissent ou absorbent des couleurs de lumière spécifiques, dit-elle.

Il a été largement émis l'hypothèse que le dioxyde de carbone pourrait être présent dans les TNO, car le dioxyde de carbone existe à l'état gazeux dans les comètes, dont la composition est comparable, explique Pinilla-Alonso.

“Dans les comètes, nous observons le dioxyde de carbone sous forme de gaz, libéré par la sublimation des glaces sur ou juste sous la surface”, explique-t-elle. “Cependant, comme le dioxyde de carbone n'avait jamais été observé à la surface des TNO, la croyance commune était qu'il était piégé sous la surface. Nos dernières découvertes bouleversent cette notion. Nous savons maintenant que le dioxyde de carbone n'est pas seulement présent à la surface des TNO. mais il est également plus courant que la glace d'eau, que nous pensions auparavant être le matériau de surface le plus abondant. Cette révélation change radicalement notre compréhension de la composition des TNO et suggère que les processus affectant leurs surfaces sont plus complexes que nous ne le pensions.

Décongeler les données

Les co-auteurs de l'étude, Elsa Hénault, doctorante à l'Institut d'Astrophysique Spatiale de l'Université Paris-Saclay et au Centre national français de la recherche scientifique, et Rosario Brunetto, superviseur de Hénault, ont apporté une perspective de laboratoire et chimique dans l'interprétation des observations du JWST.

Hénault a analysé et comparé les bandes d'absorption du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone sur tous les objets. Même s'il y avait de nombreuses traces de glace, il y avait une grande diversité en termes d'abondance et de répartition, explique Hénault.

“Alors que nous trouvions du CO₂ Pour être omniprésent dans les TNO, il n'est certainement pas distribué uniformément”, dit-elle. “Certains objets sont pauvres en dioxyde de carbone tandis que d'autres sont très riches en dioxyde de carbone et contiennent du monoxyde de carbone. Certains objets contiennent du dioxyde de carbone pur tandis que d’autres le mélangent à d’autres composés. Relier les caractéristiques du dioxyde de carbone aux paramètres orbitaux et physiques nous a permis de conclure que les variations du dioxyde de carbone sont probablement représentatives des différentes régions de formation des objets et de leur évolution précoce.

Grâce à l'analyse, il est très probable que du dioxyde de carbone était présent dans le disque protoplanétaire, mais il est peu probable que le monoxyde de carbone soit primordial, dit Hénault.

“Le monoxyde de carbone pourrait être formé efficacement par le bombardement ionique constant provenant de notre soleil ou d'autres sources”, dit-elle. “Nous explorons actuellement cette hypothèse en comparant les observations avec des expériences d'irradiation ionique capables de reproduire les conditions de congélation et d'ionisation des surfaces de TNO.”

La recherche a apporté des réponses définitives à des questions de longue date remontant à la découverte des TNO il y a près de 30 ans, mais les chercheurs ont encore un long chemin à parcourir, dit Hénault.

“D'autres questions se posent désormais”, dit-elle. “Notamment, compte tenu de l'origine et de l'évolution du monoxyde de carbone. Les observations sur toute la gamme spectrale sont si riches qu'elles occuperont certainement les scientifiques pendant des années.”

Même si les observations du programme DiSCo touchent à leur fin, l’analyse et la discussion des résultats ont encore un long chemin à parcourir. Les connaissances fondamentales acquises grâce à l’étude s’avéreront être un complément important pour les futures recherches en science planétaire et en astronomie, déclare de Prá.

“Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de la composition de ces objets et de la manière dont ils ont été créés”, dit-il. “Nous devons maintenant comprendre la relation entre ces glaces avec les autres composés présents à leur surface et comprendre l'interaction entre leur scénario de formation, leur évolution dynamique, leurs mécanismes de rétention volatile et d'irradiation tout au long de l'histoire du système solaire.”