۲۷ نقطه کمنور و متحرک، جمعیت اجرام فرانپتونیِ مستقیماً شناساییشده را وارد محدودهای از اندازه کردهاند که پیش از این بیشتر بر اساس برونیابی و تخمینهای غیرمستقیم شناخته میشد. این اجرام با تلسکوپ فضایی جیمز وب کشف شدند و رصدهای هماهنگ هابل نیز برای بخشی از این نمونه، اندازهگیریهایی در نور مرئی ارائه کردند. این دو تلسکوپ در کنار یکدیگر، بخش بسیار کوچکی از آسمان را به آزمایشی برای بررسی چگونگی شکلگیری کمربند کویپر و میزان تأثیر برخوردها بر ساختار آن تبدیل کردند.
این پژوهش در قالب یک برنامه رصدی و در دو مقاله مرتبط منتشر شده است و به هیچ وجه سرشماری کاملی از منظومه شمسی بیرونی محسوب نمیشود. این یافته ارزش بررسی جدی دارد، اما نباید آن را نتیجه نهایی دانست.
وب ۲۷ جرم را یافت؛ هابل ۱۳ مورد را بازیابی کرد
ماریل ادواردو و همکارانش در مقاله مربوط به توزیع اندازه اجرام گزارش کردهاند که دوربین فروسرخ نزدیک تلسکوپ وب، ۲۷ جرم فرانپتونی را در محدودهای تنها به وسعت ۰.۰۵ درجه مربع شناسایی کرده است. جستوجوی آنها در قدر ۲۸.۸ در فیلتر F150W2 به آستانه تشخیص ۴۰ درصد رسید که تقریباً معادل قدر ۲۹.۸ در باند نوری r است. این بررسی عمیقترین پیمایش گزارششده از منظومه شمسی تا امروز محسوب میشود.
مقاله مرتبط دیگری که آناستازیا مورگان هدایت آن را بر عهده داشته، ۱۳ مورد از اجرام شناساییشده توسط وب را در تصاویر هابل بازیابی کرده است. ترکیب اندازهگیریهای نوری هابل با دادههای فروسرخ وب، رنگهایی در محدوده ۰.۳۵ تا ۳.۲ میکرومتر در اختیار پژوهشگران قرار داد. برای اجرامی که آنقدر کوچک هستند که نمیتوان دیسک آنها را از هم تفکیک کرد، این اندازهگیریهای رنگی سرنخهایی درباره نحوه بازتاب نور از سطح آنها و بهطور غیرمستقیم درباره موادی که ممکن است روی سطحشان وجود داشته باشد، ارائه میکنند.
بنابراین عبارت «مستقیماً دیدهشده» نیاز به تعریف دقیقی دارد. هیچ تصویری از یک منظره یخی کوچک در دست نیست. هر جرم همچنان به شکل یک نقطه از نور بازتابشده دیده میشود و حرکت آن است که کمک میکند از اجرام بسیار دورترِ پسزمینه متمایز شود.
یافتن یک نقطه متحرک در میان نویز
پژوهشگران از روش پردازش «جابجایی و انباشت» یا shift-and-stack استفاده کردند. آنها تصاویر متعددی را بر اساس مجموعه بزرگی از حرکتهای مداری احتمالی جابهجا و سپس با یکدیگر ترکیب کردند. اگر حرکت انتخابشده درست باشد، سیگنال یک جرم فرانپتونی واقعی در تصویر ترکیبی تقویت میشود؛ در حالی که ستارهها، کهکشانها و بخش زیادی از نویز چنین تقویتی پیدا نمیکنند. سپس یک سامانه طبقهبندی مبتنی بر یادگیری ماشین به حذف موارد مثبت کاذبی که در جریان جستوجو ایجاد شده بودند، کمک کرد.
کمنورترین جرم شناساییشده به قدر ۲۹.۳ در فیلتر F150W2 رسید. گزارشی از ناسا که در ۸ سپتامبر منتشر شد، میگوید کوچکترین جرم حدود پنج کیلومتر عرض داشته است. مقاله پژوهشی نیز کمنورترین جرم خود را در صورت فرض آلبدو ۱۵ درصد، حدود ۱۰ کیلومتر تخمین میزند. این ارقام یادآوری مهمی هستند که روشنایی اندازهگیری شده، اما قطر از روی آن استنباط شده است. یک جرم کوچکتر و براقتر میتواند به اندازه جرمی بزرگتر و تاریکتر نور بازتاب کند.
تعداد اجرام کوچک کمتر از پیشبینی برخی مدلهاست
تیم ادواردو دریافت که تعداد اجرام با حرکت به سمت قدرهای کمنورتر، با سرعت نسبتاً کمی افزایش مییابد. نمونه مورد بررسی با یک تابع توانی با شیب ۰.۲۹ برازش شد که عدم قطعیت آن مثبت ۰.۰۸ و منفی ۰.۰۷ است. بنابراین این بررسی عمیق، افزایش شدید تعداد اجرام کوچک که برخی مدلهای شکلگیری سیارات پیشبینی میکنند را نشان نداد.
توزیع اندازه اجرام، نوعی سابقه تاریخی را در خود حفظ میکند. سیارهوارهها در دیسک جوان اطراف خورشید از گردوغبار، ذرات کوچک و تجمعات بزرگتر شکل گرفتند. برخوردهای بعدی میتوانند این اجرام را به قطعات کوچکتر تقسیم کنند و بهتدریج تعداد اجرام کوچک را افزایش دهند. جمعیتی که بهشدت تحت تأثیر چنین فرایندی که «خردشدگی برخوردی» نامیده میشود قرار گرفته باشد، میتواند با جمعیتی که از ابتدا شکل گرفته است تفاوت داشته باشد.
این نتیجه به معنای آن نیست که اجرام کمربند کویپر هرگز با یکدیگر برخورد نکردهاند و همچنین یک مدل خاص را بهعنوان تنها مدل درست معرفی نمیکند. یافته پژوهش این است که این بررسی عمیق با میدان دید بسیار محدود، اجرام بسیار کوچک کمتری نسبت به پیشبینی برخی مدلها پیدا کرده است. بنابراین تصویر سادهای که در آن کمربند کویپر بهطور مداوم بر اثر برخوردها خرد شده و به مخزنی سرشار از قطعات کوچک تبدیل شده باشد، کامل نیست.
«سرد» و «داغ» نشاندهنده تاریخچههای مداری متفاوت هستند
جرام شناساییشده به دو گروه «سرد» و «داغ» از نظر دینامیکی تقسیم شدند. اجرام کلاسیک سرد معمولاً مدارهایی با انحراف کم و نسبتاً دایرهای دارند و اغلب بهعنوان ساکنان بخش بیرونی اولیه کمربند در نظر گرفته میشوند. اجرام داغ مدارهایی با انحراف و خروج از مرکزیت بیشتر دارند؛ بسیاری از مدلها شکلگیری آنها را در نزدیکی موقعیت کنونی اورانوس و نپتون در نظر میگیرند، پیش از آنکه مهاجرت سیارات غولپیکر آنها را به سمت بیرون براند. البته هر دو گروه از نظر فیزیکی بسیار سرد هستند.
با وجود این تاریخچههای متفاوت، دو زیرگروه شناساییشده با یکدیگر سازگاری داشتند و شیب یکسانی را در تابع روشنایی نشان دادند. اگر نمونههای بزرگتر نیز این شباهت را حفظ کنند، ممکن است شکلگیری سیارهوارهها در شرایط متفاوت دیسک اولیه، گسترهای مشابه از اندازهها را ایجاد کرده باشد. با این حال، عبارت «سازگار با» در اینجا اهمیت دارد؛ زیرا تنها ۲۷ جرم شناسایی شدهاند و گروههای جداگانه از این تعداد نیز کوچکتر هستند.
رنگ اجرام نشان میدهد کوچکترین بازماندگان، منشأ خود را حفظ کردهاند
رنگهایی که هابل و وب اندازهگیری کردهاند، داستان مرتبط اما جداگانهای را روایت میکنند. اجرام کوچک کلاسیک سرد در همان محدوده باریک بازتاب نوری قرار داشتند که در اجرام بزرگتر همین گروه نیز دیده میشود. اجرام دارای مدارهای دینامیکی برانگیختهتر، دامنه رنگی گستردهتری داشتند که بار دیگر شباهتی به اجرام بزرگتر همگروه خود نشان میداد.
این تداوم با این انتظار ساده که خردشدگی مکرر باید باعث شود سطح اجرام کوچکتر بهطور سیستماتیک متفاوت به نظر برسد، بهسادگی سازگار نیست. شاید برخوردها کمتر از چیزی بودهاند که انتظار میرفت، یا شاید قطعات حاصل از برخوردها توانستهاند مواد اولیه خود را به اندازه کافی حفظ کنند تا خانوادههای رنگی قدیمی همچنان باقی بمانند. مشاهدات فعلی هنوز نمیتوانند میان این دو احتمال یکی را انتخاب کنند.
این شواهد مربوط به سطح اجرام با طیفسنجی وب از اجرام فرانپتونی بزرگتر نیز همراستا است؛ پژوهشی که گروههای شیمیایی متفاوتی را شناسایی کرده است. همچنین با مطالعات هابل که نشان میدهند برخی سامانههای کمربند کویپر ساختارهای چندجرمی اولیه خود را حفظ کردهاند، ارتباط دارد.
قویترین نتیجه، محدودترین نتیجه است
نقطه قوت اصلی این بررسی، عمق آن است، نه گستردگی. میدان دید ۰.۰۵ درجه مربعی آن تنها یک خط دید بسیار کوچک را از میان جمعیتی گسترده و ساختاریافته بررسی میکند. مدارهایی که بر اساس دورههای کوتاه رصدی محاسبه میشوند نیز ممکن است همچنان با عدم قطعیت همراه باشند و هر تبدیل روشنایی به قطر، به میزان بازتابندگی سطحی که مستقیماً دیده نمیشود، وابسته است.
با وجود این، وب اکنون بخشی از توزیع اندازه اجرام را بررسی کرده است که تلسکوپهای زمینی قادر به دسترسی به آن نبودند و هابل نیز توانسته برخی از این اجرام را به خانوادههای رنگی اجرام بسیار بزرگتر مرتبط کند.
در این حوزه، یک نقطه نورانی نیز میتواند تاریخچهای طولانی را در خود جای دهد. نخستین ۲۷ جرم نشان میدهند که کوچکترین بازماندگان کمربند کویپر که مستقیماً شناسایی شدهاند، صرفاً قطعات ناشناس حاصل از برخوردها نیستند؛ بلکه اجرامی هستند که تعداد و ویژگیهای سطحی آنها همچنان اطلاعاتی درباره دیسکی که در آن شکل گرفتهاند، حفظ کرده است.
