In een waarnemingsprestatie van grote precisie hebben wetenschappers een nieuwe techniek gebruikt met NASA's James Webb Space Telescope om de schaduwen van sterlicht te vangen die door de dunne ringen van Chariklo worden geworpen. Chariklo is een ijzig, klein lichaam, maar het grootste van de bekende Centaur-populatie, gelegen op meer dan 2 miljard mijl afstand voorbij de baan van Saturnus. Chariklo is slechts 250 kilometer in diameter of ongeveer 51 keer kleiner dan de aarde, en zijn ringen draaien op een afstand van ongeveer 400 kilometer van het centrum van het lichaam.
We vroegen leden van het wetenschappelijke team dat Chariklo observeert om ons meer te vertellen over dit unieke systeem, de occultatietechniek en wat ze hebben geleerd van hun Webb-waarnemingen.
In 2013 ontdekten Felipe Braga-Ribas en medewerkers met telescopen op de grond dat Chariklo een systeem van twee dunne ringen heeft. Zulke ringen werden alleen verwacht rond grote planeten zoals Jupiter en Neptunus. De astronomen hadden naar een ster gekeken toen Chariklo ervoor langs ging en het sterlicht blokkeerde, zoals ze hadden voorspeld. Astronomen noemen dit verschijnsel een occultatie. Tot hun verbazing knipperde de ster twee keer aan en uit voordat hij achter Chariklo verdween, en knipperde hij opnieuw nadat de ster weer tevoorschijn was gekomen. Het knipperen werd veroorzaakt door twee dunne ringen - de eerste ringen die ooit rond een klein zonnestelselobject zijn waargenomen (Braga-Ribas et al. 2014).
Pablo Santos-Sanz, van het Instituto de Astrofísica de Andalucía in Granada, Spanje, heeft een goedgekeurd "Target of Opportunity" programma om een occultatie-observatie te proberen als onderdeel van Webb's zonnestelsel Guaranteed Time Observations (GTO) onder leiding van Heidi Hammel van de Association of Universities for Research in Astronomy. Door opmerkelijk geluk ontdekten we dat Chariklo op schema lag voor zo'n occultatie in oktober 2022. Dit was de eerste stellaire occultatie met Webb. Er is hard gewerkt om de voorspellingen voor deze ongewone gebeurtenis vast te stellen en te verfijnen.
Op 18 oktober gebruikten we het instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) van Webb om de ster Gaia DR3 6873519665992128512 nauwlettend in de gaten te houden. De schaduwen van de ringen van Chariklo werden duidelijk waargenomen, wat een nieuwe manier is om Webb te gebruiken om objecten van het zonnestelsel te onderzoeken. De schaduw van de ster van Chariklo zelf bleef net buiten het zicht van Webb. Deze appuls (de technische naam voor een close pass zonder occultatie) was precies zoals was voorspeld na de laatste manoeuvre van Webb.
De lichtcurve van de Webb-occultatie, een grafiek van de helderheid van een object in de tijd, toonde aan dat de waarnemingen geslaagd waren! De ringen zijn precies gevangen zoals voorspeld. De occultatielichtkrommen zullen interessante nieuwe wetenschap opleveren voor de ringen van Chariklo. Santos-Sanz legde uit: "Naarmate we dieper in de gegevens duiken, zullen we onderzoeken of we de twee ringen zuiver kunnen oplossen. Uit de vormen van de occultatielichtkrommen van de ringen zullen we ook de dikte van de ringen, de grootte en de kleuren van de ringdeeltjes en nog veel meer onderzoeken. We hopen inzicht te krijgen in waarom dit kleine lichaam überhaupt ringen heeft, en misschien nieuwe zwakkere ringen te ontdekken."
De ringen bestaan waarschijnlijk uit kleine deeltjes waterijs vermengd met donker materiaal, brokstukken van een ijzig lichaam dat in het verleden op Chariklo is gebotst. Chariklo is te klein en te ver weg voor zelfs Webb om de ringen los van het hoofdlichaam direct in beeld te brengen, dus occultaties zijn het enige middel om de ringen zelf te karakteriseren.
Foto: NASA/ESA/CSA/L. Hustak
Kort na de occultatie richtte Webb zich opnieuw op Chariklo, ditmaal om waarnemingen te doen van het zonlicht dat door Chariklo en zijn ringen wordt gereflecteerd. Het spectrum van het systeem toont drie absorptiebanden van waterijs in het Chariklo-systeem. Noemí Pinilla-Alonso, die Webb's spectroscopische waarnemingen van Chariklo leidde, legde uit: "Spectra van grondtelescopen hadden gehint op dit ijs (Duffard et al. 2014), maar de exquise kwaliteit van het Webb-spectrum onthulde voor het eerst de duidelijke handtekening van kristallijn ijs." Dean Hines, de hoofdonderzoeker van dit tweede GTO-programma, voegde daaraan toe: "Omdat hoogenergetische deeltjes ijs omzetten van kristallijne in amorfe toestanden, wijst de detectie van kristallijn ijs erop dat het Chariklo-systeem voortdurend microbotsingen ondergaat die ofwel ongerept materiaal blootleggen ofwel kristallisatieprocessen in gang zetten."
Het meeste gereflecteerde licht in het spectrum is afkomstig van Chariklo zelf: Modellen suggereren dat het waargenomen ringgebied zoals Webb dat tijdens deze waarnemingen ziet, waarschijnlijk een vijfde is van het oppervlak van het lichaam zelf. De hoge gevoeligheid van Webb, in combinatie met gedetailleerde modellen, kan ons in staat stellen de signatuur van het ringmateriaal te onderscheiden van die van Chariklo. Pinilla-Alonso merkte op dat "door Chariklo meerdere jaren met Webb te observeren terwijl de kijkhoek van de ringen verandert, kunnen we misschien de bijdrage van de ringen zelf isoleren."
Onze succesvolle Webb-occultatie lichtcurve en spectroscopische waarnemingen van Chariklo openen de deur naar een nieuwe manier om kleine objecten in het verre zonnestelsel in de komende jaren te karakteriseren. Dankzij de hoge gevoeligheid en infraroodcapaciteit van Webb kunnen wetenschappers gebruikmaken van het unieke wetenschappelijke rendement van occultaties en deze metingen verbeteren met bijna gelijktijdige spectra. Dergelijke instrumenten zullen enorme voordelen opleveren voor wetenschappers die verre kleine lichamen in ons zonnestelsel bestuderen.
Foto: NASA/ESA/CSA/L. Hustak
Bron: NASA
