Les objets transneptuniens (OTN) sont des planétésimaux glacés situés au-delà de l'orbite de Neptune, préservés presque inchangés depuis 4 milliards d'années. Leur distribution en taille, déduite de la fonction de luminosité, constitue un test direct des modèles de formation des planétésimaux. Les relevés au sol sont limités par une magnitude d'environ 27, tandis que le télescope spatial Hubble n'a atteint que la magnitude 28 sur une surface de 0.02 degré carré, ne découvrant que trois objets. Ce travail se distingue : les études voisines dans les archives examinent les atmosphères des petits corps, les lentilles gravitationnelles de matière noire et les cataclysmes stellaires, mais personne n'a sondé aussi profondément la fonction de luminosité des OTN. Les données de Webb ouvrent pour la première fois la gamme de tailles de 10 à 30 km, où l'on teste l'hypothèse de l'instabilité de streaming avec effondrement de nuages de galets.
Les observations ont été menées avec la caméra NIRCam dans les filtres ultra-larges F150W2 et F322W2 du 24 janvier au 4 février 2023. Une mosaïque de 20 champs a couvert 0.05 degré carré près du plan de l'écliptique, chaque zone étant imagée trois fois à des intervalles d'environ cinq jours. Pour rechercher les objets en mouvement, la technique de décalage et empilement a été utilisée : les images ont été alignées selon le mouvement supposé du candidat, renforçant son signal sur le fond des étoiles fixes. Un million de détections de l'algorithme ont été passées au crible par un ensemble de trois réseaux de neurones résiduels entraînés sur des sources artificiellement injectées, réduisant le nombre de fausses trajectoires à 50 000. Ensuite, chaque candidat a été vérifié par simulation de la scène : on ajustait un modèle de point mobile sur un fond statique et on exigeait une cohérence du flux entre les expositions.
27 OTN fiables ont été détectés, dont 18 nouveaux sur trois époques et 7 sur deux époques, plus un centaure. L'objet le plus faible a une magnitude de 29.3 dans F150W2, ce qui correspond à un diamètre d'environ 10 km avec un albédo de 15%. Le seuil de détection à 40% d'efficacité a atteint la magnitude 28.8 dans F150W2, soit une magnitude entière plus profond que le précédent record de Hubble. La fonction de luminosité des populations froide et chaude est décrite par une seule loi de puissance avec une pente α = 0.29 (+0.07/−0.06), sans différence significative entre les groupes. Des modèles plus complexes, y compris une loi de puissance à décroissance exponentielle, ne présentent aucun avantage selon le critère d'information bayésien.
Ce travail se distingue des études voisines en mesurant pour la première fois la pente de la fonction de luminosité des OTN dans la gamme de magnitude de 25 à 29, là où ni Hubble ni les relevés au sol n'ont pénétré. La pente également douce pour les populations froide et chaude indique que le mécanisme de formation des planétésimaux est insensible aux conditions locales du disque, température et densité. Cela concorde avec le scénario de l'instabilité de streaming avec effondrement de nuages de galets, qui prédit une queue en loi de puissance sans coupure exponentielle jusqu'à environ 10 km. La fonction de luminosité douce implique également que la majeure partie de la masse de la ceinture de Kuiper froide est concentrée dans des corps d'environ 200 km, et non dans de petits débris.
Le futur relevé LSST augmentera l'échantillon d'OTN d'un ordre de grandeur, mais sa limite en magnitude d'environ 8 en magnitude absolue n'atteindra pas l'extrémité faible étudiée ici. Pour progresser davantage vers des corps encore plus petits, il faudra soit de nouveaux champs profonds avec JWST, soit des missions spécialisées. Un intérêt particulier réside dans la vérification d'un possible rapprochement des albédos des OTN froids et chauds à petite taille, ce qui nécessiterait des observations thermiques dans l'infrarouge moyen.
Ce résultat contraint directement les modèles de formation des planétésimaux dans les disques protoplanétaires et précise la masse totale de la ceinture de Kuiper froide, désormais estimée à 0.01 masse terrestre, avec une incertitude déterminée par l'albédo et la densité, et non par la fonction de luminosité.
La prochaine étape consiste à obtenir des observations thermiques des petits OTN afin de lever la dégénérescence entre taille et albédo. Il est également important d'élargir l'échantillon d'objets distants au-delà de 80 UA, où un seul représentant a été trouvé jusqu'à présent.
Il reste à comprendre pourquoi les populations froide et chaude ont la même pente malgré des histoires dynamiques si différentes. Si les OTN chauds ont subi une érosion collisionnelle intense, leur fonction de luminosité devrait être plus raide, mais les données ne le montrent pas. Peut-être que l'évolution collisionnelle a été plus faible que prévu, ou que les albédos des deux populations convergent à petite taille, masquant la différence de distribution en taille.
L'objet le plus faible détecté de manière fiable, JPB24, est 100 fois plus faible que le plus brillant du relevé, 2015 GK56, et sa luminosité est comparable à celle d'une flamme de bougie à la distance de la Lune.