Planetoida Chiron ma wyraźnie zmienne pierścienie

Seria gwiezdnych zakryć dostarczyła nam dowodów na to, że układ pierścieni wokół zewnętrznego obiektu Układu Słonecznego podlega dynamicznej ewolucji.

Chiron jest niezwykłym obiektem. Kiedy został odkryty w 1977 roku, był najdalszą ze znanych wówczas planetek. Jego nietypowa orbita, znajdująca się gdzieś pomiędzy Saturnem a Uranem, uczyniła go pierwszym z nowej klasy obiektów Układu Słonecznego – tzw. Centaurów. Dziś znamy około tysiąca Centaurów, ale Chiron nadal pozostaje wyjątkowy – w 2011 roku astronomowie zauważyli wokół niego prawdopodobny układ pierścieni. Teraz, dzięki dwóm niedawno opublikowanym artykułom, stało się jasne, że układ ten przechodzi dramatyczne zmiany.

W jednym z badań, kierowanym przez Amandę Sickafoose z Planetary Science Institute (w Tucson w Arizonie) i opublikowanym w „Planetary Science Journal”, zespół przeanalizował dane z zakrycia gwiazdy z 2018 roku, kiedy Chiron przesłonił na moment położoną znacznie dalej w kosmosie tzw. gwiazdę tła. Drugi zespół, kierowany przez José Ortiza (Institute of Astrophysics of Andalusia w Granadzie w Hiszpanii), opublikował w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics” wyniki badań kolejnego takiego zjawiska zakryciowego, które miało miejsce w grudniu 2022 roku. Oba przeprowadzone badania wyraźnie pokazują, że system pierścieni Chirona nie jest stabilny, tak jak te występujące wokół innych Centaurów, np. w przypadku układu dwóch pierścieni krążących wokół ciała o nazwie (10199) Chariklo. Struktura pierścieni Chirona ewoluowała – dynamicznie i bardzo wyraźnie – w latach 2011–2022.

Ortiz i jego współpracownicy odkryli pierścienie Chirona właśnie pod bezpośrednią inspiracją odkrycia podobnych pierścieni krążących wokół Chariklo. Struktury te wyjaśniają wahania jasności Chirona, a także zmienne ilości lodu wodnego znalezione w wielu jego widmach.

Chiron sam w sobie od dawna znany jest jako niezwykła planetoida. To jedno z niewielu małych ciał Układu Słonecznego o podwójnej osobowości. Pierwotnie sklasyfikowany został jako planetoida (2060) Chiron, ale potem stało się jasne, że wykazuje również zachowanie bardziej typowe dla komet. Poza obserwowaną zmienną ilością wody w swoim widmie produkuje również struktury pyłowe podobne do dżetów, wykryte podczas obserwacji zjawiska zakryć w latach 1993–1994. Z tego powodu Chiron nosi również oznaczenie kometarne: 95P/Chiron. Co ciekawe, ta dwoista natura znajduje odzwierciedlenie w nazewnictwie całej jego rodziny: w mitologii starożytnej Grecji centaury były mistycznymi stworzeniami z górną częścią ciała przypominającą człowieka i dolną częścią odpowiadającą postaci konia, a Chiron miał być wśród nich najmądrzejszy i najszlachetniejszy.

W astronomii pochodzenie tych niezwykłych obiektów jest wciąż przedmiotem dyskusji. Częste interakcje z dużymi planetami zewnętrznymi destabilizują orbity Centaurów, więc ostatecznie ich losem jest przekształcenie się w kometę z rodziny Jowisza lub wyrzucenie z Układu Słonecznego. Aby Centaury nadal były tak liczne, ich liczba musi być zatem stale uzupełniana z jakiegoś zewnętrznego źródła. Według teorii źródłem tym jest Pas Kuipera – prawdopodobnie wiele Centaurów to w rzeczywistości komety ze złożonym środowiskiem składającym się z pyłu i lodu wodnego. Obserwacyjne potwierdzenie tych pomysłów nie jest już jednak takie proste.

Ponieważ Centaury są bardzo odległe i małe, ich bezpośrednie zobrazowanie jest wyzwaniem nawet dla dużych współczesnych teleskopów. Astronomowie uważnie więc obserwują i analizują zakrycia bardziej odległych gwiazd przez te obiekty, aby zmierzyć rozmiary Centaurów i zbadać ich otoczenie. Ostatnio Chiron zaćmiewał słabe gwiazdy w 2018 i 2022 roku. Sickafoose i jej koledzy wykorzystali 1,9-metrowy i metrowy teleskop w Południowoafrykańskim Obserwatorium Astronomicznym (w Cape Town w RPA), aby zarejestrować wydarzenie z 2018 roku. Podczas gdy mniejszy teleskop uchwycił tylko jedno wyraźne zakrycie powodowane przez ciało główne, większy teleskop zaobserwował przyciemnienie gwiazdy aż cztery kolejne razy.

Te spadki światła gwiazd wystąpiły prawdopodobnie wokół lokalizacji dwóch pierścieni, które zaproponował zespół Ortiza. Co zaskakujące, gwiazda tła nie przygasła tak bardzo, jak oczekiwano na podstawie poprzednich obserwacji. Wydaje się więc, że masa pierścieni zmniejszyła się w ciągu siedmiu ostatnich lat, choć nie jest jeszcze wcale jasne, dlaczego. Pierścienie mogły na przykład utracić materiał na rzecz przestrzeni kosmicznej lub powierzchni Chirona.

Gdy Chiron zakrył gwiazdę o jasności 12,7 magnitudo w grudniu 2022 roku, zarówno 1,88-metrowy teleskop w Kottamia Astronomical Observatory w Egipcie (ok. 80 kilometrów od Kairu), jak i 0,45-metrowy teleskop w Wise Observatory w Izraelu (ok. pięciu kilometrów na zachód od miasta Mitzpe Ramon na pustyni Negew) uchwyciły do sześciu dodatkowych spadków jasności, co odpowiada nawet trzem różnym pierścieniom. Najnowsze obserwacje wykazały, że liczba pierścieni wzrosła z dwóch do trzech, ale przy tym wzrosła również ich gęstość. W porównaniu z latami 2011 i 2018 jasność gwiazdy tła spadła bardziej w 2022 roku, tak jakby coś uzupełniło zasłaniający ją materiał.

Ortiz i jego zespół podejrzewają, że wyjaśnienie może pochodzić z pojaśnienia obserwowanego na początku 2021 roku. Wówczas jasność Chirona wzrosła o około 0,6 magnitudo i nie powróciła do poziomu sprzed wybuchu aż do czasu obserwacji w 2022 roku.

Światło słoneczne mogło podgrzać lodowaty materiał pod powierzchnią Chirona, a wtedy pierwotne rozjaśnienie nastąpiło, gdy materiał ten został wyrzucony w przestrzeń kosmiczną. Jednak w przeciwieństwie do zachowania typowego bardziej dla „prawdziwej” komety, taki odrzut nie nastąpił zbyt daleko od obiektu. Materiał pozostał blisko planetoido-komety, a przez to obiekt ten nie wyglądał jak kometa dla obserwatorów na Ziemi.

Alternatywą może być rój odłamków rozbitego obiektu z grupy Centaura lub komety. Uderzenia te mogły uwolnić pył lub cząsteczki lodu, powodując pojaśnienie. Obserwacje archiwalne po części potwierdzają ten scenariusz, bo podobne wydarzenie już wcześniej poprzedziło pojaśnienie z 2021 roku – prawie 50 lat temu, co jest z kolei bliskie okresowi orbitalnemu Chirona.

Nie znamy jeszcze związku między gęstością okolicznego materiału, który wykrywamy podczas zakryć gwiazd, a aktywnością obserwowaną na Chironie - dodaje Sickafoose.

Jak dotąd Chariklo i Chiron są jedynymi Centaurami ze znanymi pierścieniami, ale pierścienie otaczają również obiekty transneptunowe Haumea i Quaoar, które znajdują się w naszym układzie jeszcze dalej. Pierścień Quaoar zdaje się zawierać co najmniej jeden gęsty fragment łuku, a także dodatkowy materiał rozrzedzony, co sugeruje, że niejednorodności znalezione w pierścieniach Chirona mogą być wspólne dla struktur pierścieniopodobnych w całym zewnętrznym Układzie Słonecznym.

Zakryciowa krzywa blasku uzyskana w Obserwatorium Kottamia pokazuje, jak światło gwiazdy tła zmieniało się w czasie, spadając, gdy pierścienie Chirona przechodziły przed jej tarczą (Ortiz et al. / Astronomy & Astrophysics 2023)