Los objetos transneptunianos (OTN) son planetesimales helados más allá de la órbita de Neptuno, que han permanecido casi sin cambios durante 4 mil millones de años. Su distribución de tamaños, derivada de la función de luminosidad, sirve como prueba directa de los modelos de formación de planetesimales. Los sondeos terrestres están limitados a un brillo de aproximadamente magnitud 27, y el telescopio espacial Hubble alcanzaba solo la magnitud 28 en un área de 0.02 grados cuadrados, detectando únicamente tres objetos. Este trabajo se destaca: los vecinos más cercanos en el archivo estudian atmósferas de cuerpos pequeños, lentes gravitacionales de materia oscura y cataclismos estelares, pero nadie había profundizado tanto en la función de luminosidad de los OTN. Los datos de Webb abren por primera vez el rango de tamaños de 10 a 30 km, donde se pone a prueba la hipótesis de la inestabilidad de corriente con colapso de nubes de guijarros.
Las observaciones se realizaron con la cámara NIRCam en los filtros superanchos F150W2 y F322W2 del 24 de enero al 4 de febrero de 2023. Un mosaico de 20 campos cubrió 0.05 grados cuadrados cerca del plano de la eclíptica, y cada región se observó tres veces con un intervalo de aproximadamente cinco días. Para buscar objetos en movimiento se aplicó la técnica de desplazamiento y apilado: las imágenes se alinearon según el movimiento supuesto del candidato, amplificando su señal frente a las estrellas fijas. Un millón de detecciones del algoritmo se procesaron mediante un conjunto de tres redes neuronales residuales entrenadas con fuentes artificialmente insertadas, lo que redujo el número de trayectorias falsas a 50 mil. Luego, cada candidato se verificó mediante simulación de la escena: se ajustó un modelo de punto en movimiento sobre un fondo estático y se exigió consistencia en el flujo entre las exposiciones.
Se detectaron 27 OTN fiables, de los cuales 18 son nuevos en tres épocas y 7 en dos épocas, más un centauro. El objeto más tenue tiene un brillo de magnitud 29.3 en F150W2, lo que corresponde a un diámetro de aproximadamente 10 km con un albedo del 15%. El umbral de detección al 40% de eficiencia alcanzó la magnitud 28.8 en F150W2, una magnitud entera más profundo que el récord anterior del Hubble. La función de luminosidad de las poblaciones fría y caliente se describe mediante una única ley de potencias con pendiente α = 0.29 (+0.07/−0.06), sin diferencias significativas entre los grupos. Modelos más complejos, incluida la ley de potencias con caída exponencial, no ofrecen ventaja según el criterio de información bayesiano.
Este trabajo se distingue de los estudios vecinos porque mide por primera vez la pendiente de la función de luminosidad de los OTN en el rango de magnitud de 25 a 29, donde ni el Hubble ni los sondeos terrestres habían llegado. La pendiente igualmente suave en las poblaciones fría y caliente indica que el mecanismo de formación de planetesimales no es sensible a las condiciones locales del disco, como temperatura y densidad. Esto concuerda con el escenario de inestabilidad de corriente con colapso de nubes de guijarros, que predice una cola de ley de potencias sin caída exponencial hasta aproximadamente 10 km. La función de luminosidad suave también implica que la mayor parte de la masa del cinturón de Kuiper frío se concentra en cuerpos de aproximadamente 200 km, no en fragmentos pequeños.
El futuro sondeo LSST aumentará la muestra de OTN en un orden de magnitud, pero su límite de brillo de aproximadamente magnitud absoluta 8 no alcanzará el extremo tenue estudiado aquí. Avanzar hacia cuerpos aún más pequeños requerirá nuevos campos profundos con JWST o misiones especializadas. De particular interés es verificar si los albedos de los OTN fríos y calientes convergen a tamaños pequeños, lo que requeriría observaciones térmicas en el infrarrojo medio.
El resultado restringe directamente los modelos de formación de planetesimales en discos protoplanetarios y precisa la masa total del cinturón de Kuiper frío, que ahora se estima en 0.01 masas terrestres, con una incertidumbre determinada por el albedo y la densidad, no por la función de luminosidad.
El siguiente paso es obtener observaciones térmicas de los OTN pequeños para romper la degeneración entre tamaño y albedo. También es importante ampliar la muestra de objetos distantes más allá de 80 UA, donde hasta ahora solo se ha encontrado un representante.
Sigue sin estar claro por qué las poblaciones fría y caliente tienen la misma pendiente a pesar de historias dinámicas tan diferentes. Si los OTN calientes sufrieron una intensa erosión colisional, su función de luminosidad debería ser más pronunciada, pero los datos no lo muestran. Es posible que la evolución colisional haya sido más débil de lo supuesto, o que los albedos de las dos poblaciones converjan a tamaños pequeños, enmascarando la diferencia en la distribución de tamaños.
El objeto más tenue detectado de forma fiable, JPB24, es 100 veces más débil que el más brillante del sondeo, 2015 GK56, y su brillo es comparable al de una llama de vela a la distancia de la Luna.