Inelele lui Chariklo se schimbă, iar Telescopul James Webb încearcă să afle de ce

La aproximativ două miliarde de kilometri de Pământ, într-o regiune a Sistemului Solar dominată de planetele gigantice, se află un obiect cu totul neobișnuit. Chariklo are un diametru de numai aproximativ 250 de kilometri și orbitează între Saturn și Uranus, fiind clasificat drept un centaur, o categorie de corpuri mici care prezintă caracteristici asociate atât asteroizilor, cât și cometelor.

Până în urmă cu puțin mai mult de un deceniu, nimeni nu știa că Chariklo ascunde o asemenea surpriză. În 2013, în timp ce astronomii urmăreau trecerea obiectului prin fața unei stele îndepărtate, lumina stelei a scăzut de mai multe ori. Aceste scăderi nu puteau fi explicate doar prin trecerea corpului principal, iar observațiile au dezvăluit existența a două inele înguste în jurul lui Chariklo.

Descoperirea a fost remarcabilă deoarece Chariklo era primul corp mic din Sistemul Solar în jurul căruia fusese identificat un sistem de inele. Până atunci, asemenea structuri erau asociate în principal cu planetele gigantice precum Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun.

Inelele lui Chariklo sunt însă atât de slabe încât nu pot fi fotografiate direct. Pentru a le studia, astronomii trebuie să aștepte un moment foarte precis: acela în care Chariklo trece prin fața unei stele aflate mult mai departe.

Cum poate fi observat un inel care nu se vede

Metoda folosită se numește ocultație stelară și este, în esență, un experiment cosmic de precizie. Atunci când Chariklo trece prin fața unei stele, corpul principal blochează o parte din lumina acesteia. Dar, înainte și după momentul principal al ocultării, și cele două inele pot trece prin fața stelei. Fiecare inel produce astfel o mică scădere suplimentară a luminozității.

Măsurând cu mare precizie aceste variații, astronomii pot deduce poziția, lățimea și opacitatea inelelor, chiar dacă acestea nu pot fi văzute direct într-o imagine. Este o tehnică asemănătoare, într-un anumit sens, cu metodele utilizate pentru studierea atmosferelor unor exoplanete, unde astronomii analizează modul în care lumina unei stele se modifică atunci când o planetă trece prin fața ei.

În cazul lui Chariklo, această tehnică a fost folosită în 2013, iar apoi din nou în 2014 și 2017 cu telescoape de la sol. A venit apoi momentul pentru o observație mult mai ambițioasă.

Pe 18 octombrie 2022, Telescopul Spațial James Webb a urmărit Chariklo în timpul unei noi ocultații stelare. A fost o observație care a necesitat o sincronizare extraordinar de precisă, deoarece astronomii trebuiau să știe exact când și unde se va afla Chariklo în raport cu telescopul și steaua de fundal.

Inelele lui Chariklo par să fi evoluat

Când cercetătorii au comparat datele obținute de James Webb cu observațiile din deceniul precedent, au întâlnit ceva neașteptat. Cele două inele nu mai prezentau exact aceleași proprietăți.

Inelul interior a devenit semnificativ mai opac, în timp ce inelul exterior a devenit mai puțin opac. Cu alte cuvinte, cele două componente ale sistemului par să fi evoluat în direcții opuse.

Este un rezultat interesant tocmai pentru că poziția generală a sistemului nu este neapărat problema. Diferența apare în proprietățile optice ale celor două inele, iar această schimbare îi obligă pe cercetători să privească mai atent modul în care sunt alcătuite și menținute astfel de structuri.

Pablo Santos-Sanz, cercetător la Institutul de Astrofizică din Andaluzia și autor principal al studiului, subliniază că rezultatele sugerează că sistemele de inele ale corpurilor mici ar putea fi mai dinamice decât se credea până acum. Însă există o problemă importantă: observațiile nu spun încă exact ce s-a întâmplat.

Trei explicații pentru misterul observat de James Webb

Prima posibilitate este legată chiar de performanța lui James Webb. Rezoluția sa foarte bună ar putea permite detectarea unor regiuni mai dense și mai rarefiate ale inelelor care nu au putut fi separate la fel de clar în observațiile precedente. În acest caz, diferențele dintre măsurători nu ar însemna neapărat că inelele s-au modificat fizic în ultimii ani.

A doua explicație presupune că materialul din inele sau particulele din care acestea sunt alcătuite s-au modificat. Dacă distribuția particulelor ori proprietățile lor s-au schimbat, acest lucru ar putea explica diferențele observate între cele două perioade de observație.

A treia posibilitate este și mai subtilă. Particulele din inele pot avea proprietăți optice dependente de lungimea de undă. James Webb observă în infraroșu, în timp ce observațiile anterioare au fost realizate în alte domenii ale spectrului. Dacă dimensiunea și compoziția particulelor determină modul în care acestea interacționează cu diferite lungimi de undă, schimbarea aparentă a opacității ar putea fi, cel puțin parțial, un efect al modului diferit în care sistemul este observat.

De aceea, cercetătorii sunt prudenți. Datele sunt suficient de interesante pentru a sugera o posibilă evoluție a sistemului, dar sunt necesare observații suplimentare pentru a separa schimbările reale în timp de efectele produse de proprietățile optice ale particulelor.

O observație care a cerut o precizie extraordinară

Observarea lui Chariklo cu James Webb a fost remarcabilă nu doar prin rezultatele obținute, ci și prin dificultatea experimentului. Este pentru prima dată când o campanie de observații JWST a fost planificată în mod special în jurul unei ocultații stelare. Cercetătorii au trebuit să sincronizeze observațiile cu momentul în care Chariklo urma să treacă exact prin fața stelei.

Un avantaj important a fost viteza relativ mică a lui Chariklo față de telescop, de aproximativ 2,5 kilometri pe secundă. Această viteză a permis o caracterizare foarte fină a structurii inelelor în timpul trecerii prin fața stelei.

Pentru a determina cu precizie momentul ocultării, cercetătorii au folosit inclusiv informații furnizate de misiunea Gaia a Agenției Spațiale Europene, care cartografiază pozițiile și mișcările unui număr uriaș de stele. În același timp, a trebuit calculată cu mare precizie orbita lui James Webb, aflat la aproximativ 1,5 milioane de kilometri de Pământ, în direcția opusă Soarelui. Rezultatul a fost posibil datorită unei sincronizări pe care cercetătorii o descriu drept una de „precizie extremă”.

Ce ne pot spune viitoarele observații despre Chariklo

Următoarea ocultație stelară a lui Chariklo ar putea fi decisivă. Dacă observațiile viitoare vor arăta din nou aceeași tendință – creșterea opacității inelului interior și scăderea opacității celui exterior – atunci ipoteza unei evoluții reale a sistemului va deveni mult mai convingătoare.

Dacă, în schimb, proprietățile observate vor reveni la valorile anterioare sau vor prezenta un comportament explicabil prin lungimea de undă, astronomii vor putea separa mai clar evoluția temporală de efectele optice.

În ambele cazuri, Chariklo oferă o oportunitate rară de a studia un sistem de inele într-un corp mult mai mic decât planetele gigantice.

Descoperirea din 2013 a arătat că inelele nu sunt exclusiv apanajul lumilor gigantice. Observațiile lui James Webb sugerează acum că asemenea sisteme din jurul corpurilor mici ar putea fi și mult mai dinamice decât se credea. Rezultatele îi determină pe cercetători să reanalizeze modul în care se formează aceste inele, cum evoluează și ce mecanisme le pot menține stabile.

Iar aici se află poate cea mai interesantă parte a poveștii. James Webb nu a realizat o fotografie spectaculoasă a inelelor lui Chariklo. Le-a „văzut” indirect, prin felul în care acestea au modificat pentru câteva clipe lumina unei stele îndepărtate.

În jurul unui corp de numai 250 de kilometri, aflat la miliarde de kilometri de noi, o simplă variație a luminii poate dezvălui o lume cosmică surprinzător de dinamică.

Inelele lui Chariklo rămân invizibile în fotografii, dar fiecare ocultație stelară oferă astronomilor o nouă fereastră către evoluția lor. Iar următoarea trecere prin fața unei stele ar putea arăta dacă ceea ce James Webb a detectat este într-adevăr transformarea unui sistem de inele sau doar o nouă perspectivă asupra unui sistem mai complex decât părea până acum.