科学家在太阳系外围发现CO₂和一氧化碳

魏洋1

一位艺术家对柯伊伯带天体（KBO）的印象，该天体位于我们太阳系的外缘，距离太阳40亿英里。来源：美国国家航空航天局、欧空局和G.培根（STScI）

据中佛罗里达大学（Eddy Duryea）：首次在我们太阳系的遥远区域，在跨海王星天体（TNO）上观测到二氧化碳和一氧化碳冰。

由中佛罗里达大学佛罗里达空间研究所（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个跨海王星天体和半人马座的化学成分，得出了这一发现。

本周发表在《自然天文学》上的这项开创性研究表明，在原行星盘的寒冷外部区域，二氧化碳冰含量丰富。需要进一步的调查来了解一氧化碳冰的起源，因为它在研究中的TNO上也很普遍。

研究人员报告称，在JWST观察到的59个物体样本中，56个TNO检测到二氧化碳，28个TNO（加上6个检测结果可疑或边缘）检测到一氧化碳。根据这项研究，二氧化碳广泛分布在跨海王星种群的表面，与动力学类别和体型无关，而一氧化碳仅在二氧化碳丰度高的物体中检测到。

这项工作是UCF领导的发现跨海王星天体表面成分计划（DiSCo-TNO）的一部分，该计划是JWST计划之一，专注于分析我们的太阳系。

该研究的合著者de Prá说：“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。”。“我们没想到会发现二氧化碳在TNO区域如此普遍，更没想到一氧化碳在这么多TNO中存在。”



作为DiSCo大型计划的一部分，JWST获得了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）和一氧化碳的吸收以黄色突出显示。太阳的光线（靠近图像中心）在数十亿英里外变暗，而这些跨海王星天体就位于这里。图片绘制来源：William Gonzalez-Sierra，佛罗里达航天研究所

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：“跨海王星天体是行星形成过程中的遗迹。”。“这些发现可能会对这些天体的形成地点、它们是如何到达目前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，比行星更小，所以它们包含了原行星盘原始组成的原始信息。”

古老的冰

“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在那里建立了一个强大的天文台，能够精确定位和探测到最大TNO群体上的一氧化碳冰或二氧化碳冰痕迹。

在我们太阳系的许多物体中普遍存在二氧化碳。因此，DiSCo团队很好奇，想看看它是否在海王星之外有更大的数量存在。

根据这项研究，之前没有在TNO上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其他挥发性较低的冰和耐火材料层掩埋、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，但一氧化碳的来源更不确定。”。“即使在TNO的冷表面，后者也是一种挥发性的冰。我们不能排除一氧化碳最初是附着的，并以某种方式保留到现在。然而，数据表明，它可能是由含碳冰的辐射产生的。”

答案雪崩

Pinilla Alonso说，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的方式或原因提供了许多机会，他也是该研究的合著者，也是DiSCo TNO项目的负责人。

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征。”。“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——光谱特征是惊人的独特。这种明显的二氧化碳印记与在其他太阳系天体上观察到的任何东西都不同，甚至在实验室环境中也不同。”

Pinilla Alonso说，现在看来很清楚，当二氧化碳含量丰富时，它似乎与其他物质分离，但仅凭这一点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，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，人们普遍认为，TNO中可能存在二氧化碳，因为二氧化碳在彗星中以气态存在，这在成分上是相当的。

她说：“在彗星中，我们观察到二氧化碳是一种气体，是由表面上或表面下的冰升华释放出来的。”。“然而，由于从未在TNO表面观察到二氧化碳，人们普遍认为它被困在表面下。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TNO表面，而且比水冰更常见，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意识到的更复杂。”

解冻数据

该研究的合著者、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Elsa Hénault和Hénaut的导师Rosario Brunetto将实验室和化学视角纳入了JWST观测的解释中。

Hénault分析并比较了所有物体的二氧化碳和一氧化碳吸收带。Hénault说，虽然有足够的证据表明存在冰，但在丰度和分布上存在很大的多样性。

她说：“虽然我们发现二氧化碳在TNO中无处不在，但它肯定不是均匀分布的。”。“一些物体的二氧化碳含量很低，而另一些则非常富含二氧化碳，并显示出一氧化碳。一些物体显示出纯二氧化碳，而其他物体则将其与其他化合物混合。将二氧化碳的特征与轨道和物理参数联系起来，我们可以得出结论，二氧化碳的变化可能代表了物体的不同形成区域和早期进化。”

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表面的冷冻和电离条件。”

Hénault说，这项研究为近30年前TNO发现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。

“现在还提出了其他问题，”她说。“值得注意的是，考虑到一氧化碳的起源和进化。在整个光谱范围内的观测结果非常丰富，肯定会让科学家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它们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上的形成场景、动力学演化、挥发性保留和辐射机制之间的相互作用。”