Пояс Койпера, после его открытия в 1992 году, изменил мир астрономии с появлением больших ледяных миров, лежащих сразу за Нептуном. Пояс назван в честь Джерарда Койпера, хотя он и не открывал этот регион.
Эта область космоса интересна тем, что содержит реликты ранней стадии формирования солнечной системы, которые не подвергались сильным изменениям со стороны гравитации или тепла. Изучая эти объекты, мы можем узнать больше о том, как родилась наша солнечная система и какие процессы в ней происходили.
Космические лучи постоянно облучают объекты Пояса Койпера, воздействуя на их поверхностные материалы. Это может приводить к химическим и физическим изменениям, которые влияют на цвет этих объектов.
Почему цвет зависит от радиации
Цвет поверхности тела зависит от того, какое излучение оно отражает или поглощает. Белый цвет означает, что тело отражает все виды видимого света одинаково. Черный означает, что тело поглощает все виды светового излучения.
Радиация может изменять химический состав и структуру поверхностных материалов, влияя на их цвет. Например, она может разрушать органические молекулы или превращать их в более сложные соединения с конденсированными кольцами атомов углерода. Такие соединения называются ароматическими и имеют красноватый оттенок.
Ароматические структуры, связанные ненасыщенными углеводородными цепями, определяют цветовое разнообразие богатых углеводородами поверхностей объектов пояса Койпера.
Органические материалы обнаружены на поверхностях многих объектов Пояса Койпера с помощью спектроскопии в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Они могут быть продуктами фотохимической или радиационной обработки простых углеводородов, таких как метан или ацетилен, которые также присутствуют на этих объектах.
Как математическая модель объясняет разнообразие цветов Пояса Койпера
Чтобы понять, как радиация влияет на цвет объектов Пояса Койпера, ученые разработали компьютерную модель, которая воспроизводит условия в этой области пространства. Модель учитывает такие факторы, как интенсивность и энергия космических лучей, температура и состав поверхностных материалов, глубина проникновения радиации и время ее воздействия.
Модель предполагает, что объекты Пояса Койпера имеют несколько слоев с разными свойствами и цветами. Верхний слой — тонкая корка из темного материала с низким альбедо (отражающей способностью). Под ней находится слой из красного органического материала, который образуется под действием радиации из более простых углеводородов. Еще ниже лежит слой из чистого льда (водяного или метанового), который имеет высокое альбедо и белый цвет.
В зависимости от того, какой слой преобладает на поверхности или просвечивает сквозь корку, объект может иметь разный цвет. Например, если корка тонкая или имеет трещины, то виден красный слой, и объект кажется красноватым. Если корка толстая или покрыта свежим льдом, то объект кажется белым или синеватым. Если корка имеет среднюю толщину, то объект кажется серым или коричневым.
Модель учитывает динамику слоев во времени. Например, в результате столкновений или геологической активности может происходить поднятие нижних слоев на поверхность, образуя новые области с другим цветом. Такое явление может объяснить яркую ледяную поверхность Эриды — самого крупного из известных объектов Пояса Койпера.
Какие выводы можно сделать из модели
Разработка исследователей позволяет не только объяснить разнообразие цветов объектов Пояса Койпера, но и сделать некоторые выводы об их происхождении и эволюции. Например, модель предсказывает, что объекты с красным цветом должны быть старше и холоднее, чем объекты с белым цветом, потому что им потребовалось больше времени и меньше тепла для образования органического слоя. Эти предсказания хорошо согласуются с наблюдениями за одной из групп объектов Пояса Койпера — так называемыми холодными классическими объектами. Это объекты, которые движутся по почти круговым орбитам в одной плоскости с орбитами планет и находятся на расстоянии около 45 астрономических единиц (АЕ) от Солнца. Они имеют постоянно красный цвет и считаются реликтами ранней стадии формирования солнечной системы.
Другие объекты Пояса Койпера, которые имеют разные цвета от красного до белого, движутся по более эллиптическим или наклоненным орбитам и находятся на разных расстояниях от Солнца. Это свидетельствует, что они могли возникнуть в других местах солнечной системы на ранних этапах ее истории и затем переместиться под влиянием гравитационных взаимодействий. Такие объекты могли испытывать разные условия радиации и температуры, а также столкновения и геологические процессы, которые влияли на их цвет.
Работа ученых также дает возможность изучать химический состав и структуру поверхностных материалов объектов Пояса Койпера на молекулярном уровне. Это может помочь понять процессы образования органических молекул, которые могут быть предшественниками жизни.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
