科学家在太阳系边缘发现二氧化碳和一氧化碳冰

首次在太阳系遥远的海王星外天体(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)的行星科学家马里奥·纳西门托·德普拉(MárioNascimentoDePrá)和诺埃米·皮尼利亚-阿隆索(NoemíPinilla-Alonso)领导的研究小组利用詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的红外光谱功能分析了59个海王星外天体和半人马小行星的化学成分，并获得了这一发现。

本周发表在《自然天文学》杂志上的这项开创性研究表明，二氧化碳冰在原行星盘(太阳系由此形成的巨大旋转气体和尘埃盘)寒冷的外部区域非常丰富。需要进一步研究以了解一氧化碳冰的起源，因为它在研究中的外海王星天体上也很普遍。

研究人员报告称，在詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的59个天体样本中，有56个海王星天体检测到二氧化碳，28个检测到一氧化碳(另6个检测到可疑或边缘的天体)。研究表明，二氧化碳在外海王星天体表面广泛存在，与动力学类型和天体大小无关，而一氧化碳仅在二氧化碳含量高的天体中检测到。

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旨在分析太阳系的项目之一。

“这是我们第一次对大量TNO的光谱区域进行观测，因此从某种意义上说，我们所看到的一切都是令人兴奋且独一无二的，”这项研究的共同作者德普拉说。“我们没有想到二氧化碳在TNO区域如此普遍，更没有想到一氧化碳存在于如此多的TNO中。”

作为DiSCo大型计划的一部分，詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄了富含碳挥发性冰的海王星外天体表面的光谱。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。太阳光(靠近图像中心)在数十亿英里之外变暗，那里是海王星外天体所在的地方。图形渲染来源：威廉·冈萨雷斯·塞拉，佛罗里达太空研究所

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如何迁移。

“海王星外天体是行星形成过程的遗迹，”德普拉说。“这些发现可以对这些天体的形成地点、它们如何到达现在所在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。由于它们形成于距离太阳更远的地方，并且比行星小，因此它们包含了关于原行星盘原始组成的原始信息。”

记载远古冰川

新视野号探测器在冥王星上观测到了一氧化碳冰，但直到詹姆斯·韦伯太空望远镜出现后，才有足够强大的天文台能够在最大的外海王星天体群上精确定位和探测到一氧化碳冰或二氧化碳冰的痕迹。

二氧化碳在我们太阳系的许多物体中都很常见。因此，DiSCo团队很好奇，海王星之外是否存在更多的二氧化碳。

研究表明，此前未能在海外天体上探测到二氧化碳冰的可能原因包括：二氧化碳冰的丰度较低;非挥发性二氧化碳随着时间的推移被埋藏在其他挥发性较低的冰层和耐火材料层之下;通过辐射转化为其他分子;以及简单的观察限制。

德普拉说，在海外天体上发现二氧化碳和一氧化碳提供了一些背景信息，同时也引发了许多问题。

“虽然二氧化碳可能是从原行星盘中吸积而来的，但一氧化碳的来源则更加不确定，”他说。“后者是一种挥发性冰，即使在外海王星天体的寒冷表面也是如此。我们不能排除一氧化碳在原始时期就被吸积，并以某种方式保留至今的可能性。然而，数据表明，它可能是由含碳冰的辐射产生的。”

大量答案

这项研究的合著者、DiSCo-TNOs项目负责人皮尼拉-阿隆索表示，确认跨国界天体上存在二氧化碳和一氧化碳，将为进一步研究和量化它们存在的方式和原因提供许多机会。

“在海王星外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，”她说。“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。在一些海王星外天体中，二氧化碳与甲醇、水冰和硅酸盐等其他物质混合在一起。然而，在另一组中——二氧化碳和一氧化碳是主要表面成分——光谱特征非常独特。这种鲜明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东西，甚至在实验室环境中也无法复制。”

现在似乎很清楚，当二氧化碳丰富时，它似乎与其他物质隔绝，但仅凭这一点并不能解释这种带状形状，Pinilla-Alonso说。她说，理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。

皮尼拉-阿隆索表示，普遍的理论认为，跨国界天体中可能存在二氧化碳，因为彗星中也存在气态二氧化碳，而两者的成分相当。

“在彗星中，我们观察到二氧化碳是一种气体，是由彗星表面或彗星表面下方的冰升华而释放出来的，”她说。“然而，由于从未在外海王星天体表面观察到二氧化碳，因此人们普遍认为二氧化碳被困在彗星表面之下。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外海王星天体表面，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外海王星天体成分的理解，并表明影响其表面的过程比我们意识到的要复杂得多。”

解冻数据

该研究的共同作者、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ElsaHénault和Hénault的导师RosarioBrunetto从实验室和化学的角度对詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果进行了解读。

Hénault分析并比较了所有物体对二氧化碳和一氧化碳的吸收谱带。Hénault表示，虽然有大量冰的证据，但冰的丰度和分布存在很大差异。

“虽然我们发现二氧化碳在外海王星天体中无处不在，但其分布绝对不均匀，”她说。“有些天体二氧化碳含量很低，而另一些天体二氧化碳含量非常高，并显示一氧化碳。有些天体显示纯二氧化碳，而另一些天体则将二氧化碳与其他化合物混合。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天体不同的形成区域和早期演化。”

通过分析，原行星盘中很可能存在二氧化碳，然而一氧化碳不太可能是原始存在的，Hénault说。

“一氧化碳可能通过来自太阳或其他来源的持续离子轰击有效形成，”她说。“我们目前正在通过将观测结果与可以重现TNO表面冻结和电离条件的离子辐照实验进行比较来探索这一假设。”

这项研究为自近30年前发现海外天体以来一直存在的问题提供了一些明确的答案，但Hénault表示，研究人员还有很长的路要走。

“现在又出现了其他问题，”她说。“值得注意的是，考虑到一氧化碳的起源和演化。整个光谱范围内的观测结果非常丰富，它们肯定会让科学家们在未来几年里忙个不停。”

尽管DiSCo计划的观测已接近尾声，但对结果的分析和讨论还有很长的路要走。德普拉说，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：“我们只是触及了这些物体的成分和形成过程的表面。我们现在需要了解这些冰与其表面其他化合物之间的关系，并了解它们的形成情景、动态演化、挥发性物质的保留和太阳系历史中辐射机制之间的相互作用。”