Gli oggetti trans-nettuniani (TNO) sono corpi ghiacciati che variano in dimensioni da Plutone ed Eris (pianeti nani con diametri di circa 2.400 chilometri) fino a decine di chilometri (Arrokoth) e anche più piccoli. I TNO si trovano su orbite comparabili in dimensioni, o anche molto più grandi, di quella di Nettuno. L’esistenza dei TNO fu postulata da Kenneth Edgeworth e successivamente da Gerard Kuiper negli anni ’50; la regione dello spazio occupata dai TNO è solitamente chiamata Fascia di Kuiper, e i TNO stessi sono talvolta chiamati oggetti della Fascia di Kuiper (KBO). Le orbite dei TNO sono estremamente diverse ma rientrano in gruppi che riflettono la migrazione verso l’esterno di Urano e Nettuno all’inizio della storia della formazione del sistema solare. In quanto tali, i TNO detengono le chiavi per comprendere quella storia antica. Tuttavia, è stato necessario il telescopio spaziale James Webb della NASA e la sua capacità senza pari di studiare i materiali sulle superfici dei TNO per iniziare a comprendere appieno cosa possono dirci sulle nostre origini.
Immagini degli oggetti trans-nettuniani (TNO) Plutone [a sinistra] e Arrokoth [a destra], i principali obiettivi del flyby della sonda New Horizons della NASA nel 2015 e 2019. Il telescopio spaziale James Webb della NASA è in grado di ottenere osservazioni per studi approfonditi di una vasta gamma di TNO che sia completano, sia vanno oltre ciò che è stato appreso da New Horizons. (Crediti immagine: NASA/SwRI/JHU-APL)
Plutone è stato il primo TNO scoperto, nel 1930 da Clyde Tombaugh all’Osservatorio Lowell. Solo nel 1992 è stato scoperto il secondo TNO (1992 QB1, ora chiamato Albion), da Dave Jewitt all’Università della California, Los Angeles, e Jane Luu al Massachusetts Institute of Technology. Ora sono stati identificati oltre 5.000 TNO. Le orbite dei TNO rivelano un’“architettura” che registra la storia di come le orbite di Giove, Saturno, Urano e Nettuno si sono evolute all’inizio della storia del sistema solare. I modelli al computer indicano che mentre Urano e Nettuno migravano verso l’esterno nel disco primordiale dei TNO, espellevano molti oggetti e guidavano i TNO rimanenti sulle orbite che vediamo oggi. Queste orbite attuali sono classificate in base alle loro distanze orbitali, eccentricità (ellitticità dell’orbita) e inclinazione (inclinazione rispetto al piano in cui orbitano i pianeti). Di particolare interesse sono gli oggetti su orbite classiche dinamicamente “fredde”, con inclinazione ed eccentricità molto basse. I modelli al computer indicano che questi oggetti classici freddi occupano ancora le loro orbite primordiali e rappresentano quindi un residuo indisturbato del disco protoplanetario originale. Questi TNO rappresentano veramente i blocchi costitutivi incontaminati dei pianeti, e uno di essi, Arrokoth, è stato visitato e studiato da vicino dalla sonda New Horizons nel gennaio 2019.
Dei TNO le cui orbite sono state perturbate durante la migrazione dei pianeti giganti, è difficile risalire al luogo in cui si sono formati. Tuttavia, è solo studiando la composizione dei singoli TNO che possiamo sperare di mappare la composizione del disco esterno primordiale. I TNO si trovano su orbite molto distanti dal Sole e sono molto freddi, sotto i meno 170 gradi Celsius, quindi le loro superfici potrebbero fornire informazioni sulla composizione originale dei planetesimi all’interno del disco. Webb è il primo osservatorio in grado di fornire informazioni compositive dettagliate sui TNO tipici (con diametri inferiori a circa 800 chilometri) grazie al suo grande specchio primario e agli strumenti altamente sensibili. In particolare, lo spettrografo nel vicino infrarosso (NIRSpec) ha rivelato per la prima volta le composizioni dei TNO in dettaglio squisito.
Spettri per le tre classi spettrali di TNO identificate per la prima volta utilizzando i dati del telescopio spaziale James Webb della NASA. La linea solida pesante in ciascun pannello è la media di oltre una dozzina di spettri di TNO all’interno di ciascuna classe. Le caratteristiche prominenti in ciascuno spettro sono evidenziate e/o etichettate con il nome della molecola o della classe di materiali responsabili dell’assorbimento a quelle lunghezze d’onda. Crediti: Adattato da Pinilla-Alonso et al. 2024.
Il NIRSpec di Webb divide la luce a lunghezze d’onda tra circa 1 e 5 micron in centinaia o migliaia di colori individuali. La luminosità relativa di quei colori in funzione della lunghezza d’onda è uno spettro. Materiali diversi mostrano spettri diversi che aiutano a identificare la composizione dell’oggetto osservato. Poiché i TNO si sono formati nelle fredde porzioni esterne del disco protoplanetario, si è a lungo ipotizzato che avrebbero superfici dominate da ghiacci di molecole che sono gas o liquidi sulla superficie terrestre, ad esempio acqua (H2O), anidride carbonica (CO2), azoto (N2) e metano (CH4), tra gli altri. Inoltre, la radiazione del Sole e dall’esterno del sistema solare altera la chimica, creando nuove molecole di idrocarburi (organiche) più complesse come il metanolo (CH3OH), l’acetilene (C2H2) e l’etano (C2H6). I dati di Webb hanno confermato questo, ma in modi inaspettati e con dettagli senza precedenti.
Nei primi due anni di operazioni scientifiche, Webb ha ottenuto spettri di alta qualità di oltre 75 TNO e ha fornito il primo sguardo completo a ciò di cui sono fatti, inclusi quasi 60 oggetti dal grande programma del Ciclo 1 chiamato “DiSCo-TNOs” (ID programma #2418, PI: Noemí Pinilla-Alonso). Il risultato principale del grande set di dati del programma DiSCo-TNOs è l’identificazione di tre classi spettrali, che è la prima evidenza di composizioni superficiali distinte, completamente inaspettata rispetto agli studi precedenti. Queste classificazioni sono denominate in base alla forma spettrale nella regione da 2,5 a 4 micron, con la banda più profonda centrata a 3,0 micron generata da molecole che contengono un legame ossigeno-idrogeno, come l’acqua. Gli spettri di tipo Bowl sono dominati dalle caratteristiche di assorbimento del ghiaccio d’acqua, con un po’ di ghiaccio di anidride carbonica e indicazioni di polvere ricca di silicati. Gli spettri Double-dip hanno caratteristiche di assorbimento dovute a molecole organiche complesse, ghiacci di anidride carbonica e monossido di carbonio. Gli spettri Cliff hanno materiali organici ancora più complessi e anidride carbonica rispetto ai Double-dip, e includono anche caratteristiche dovute al CH3OH. Gli spettri Double-dip indicano ghiaccio di anidride carbonica molto abbondante e puro, come evidenziato dai due picchi di riflettanza (mai osservati al di fuori di un laboratorio) che delimitano la banda di 4,27 micron. I tre tipi spettrali sono anche distinti nel loro colore alle lunghezze d’onda visibili più corte, con i Bowl meno rossi, i Double-dip intermedi e i Cliff i più rossi.
Il team DiSCo-TNOs ipotizza in Pinilla-Alonso et al. (2024) che questi diversi tipi spettrali siano il risultato di temperature più elevate più vicine al Sole e temperature più fredde più lontano. In particolare, i tipi Bowl si sono formati più vicino al Sole e sono stati soggetti a temperature più elevate che hanno essenzialmente eliminato l’anidride carbonica e il metano. Questi composti erano più stabili sui Double-dip e sui Cliff, che si sono formati più lontano. Un indizio importante che porta a questa ipotesi è che tutti gli oggetti su orbite classiche fredde indisturbate sono Cliff. I TNO su altre orbite includono oggetti di tutti e tre i tipi compositivi, come ci si aspetterebbe a causa del rimescolamento dinamico mentre Nettuno migrava verso l’esterno, come descritto sopra.
Guardando avanti, Webb continua a portare avanti un robusto programma di osservazioni dei TNO ogni anno, con nuovi ed entusiasmanti programmi selezionati dalla comunità per l’esecuzione. Il Ciclo 3 vedrà l’imaging e la spettroscopia di una manciata di TNO e dei loro satelliti, comprese le prime osservazioni spettrali in assoluto dei TNO “estremi”, con orbite che li portano ben oltre nello spazio interstellare. Un altro programma mira a tornare ai bersagli osservati nel primo anno di operazioni scientifiche per ottenere uno sguardo ancora più dettagliato ai materiali che hanno portato alla formazione dei TNO nella nebulosa protosolare. Altri due programmi si concentrano sull’imaging e sulla spettroscopia dei sistemi binari di TNO per comprendere meglio le origini dei satelliti dei TNO, sia tramite impatti giganti che co-formazione tramite collasso gravitazionale. Chissà quali nuove idee ed entusiasmanti scoperte porterà il prossimo anno?