Ученые разгадали тайну странных «снеговиков» пояса Койпера за Нептуном

Фото из открытых источников

Исследователи разработали первую модель, способную воспроизвести загадочную форму небесных объектов, известных как «контактные двойные системы» — ледяных тел внешней части Солнечной системы, напоминающих две слитые сферы, похожие на снеговика, существование которых десятилетиями ставило астрономов в тупик.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предлагают объяснение, основанное на удивительно простом процессе: гравитационном коллапсе. На протяжении многих лет научное сообщество спорило о том, как образовались эти необычные объекты, населяющие пояс Койпера — обширную область за Нептуном, содержащую наиболее примитивные и неизмененные остатки со времен зарождения Солнечной системы.

Там, в отличие от более бурного и хаотичного пояса астероидов, плавают планетезималы — первые твердые тела, образовавшиеся из диска пыли и газа, окружавшего молодое Солнце.

Примерно каждый десятый из этих планетезималов пояса Койпера имеет морфологию контактной двойной системы. Самым показательным и изученным примером является Аррокот, ультракрасный объект возрастом 4 миллиарда лет, обнаруженный в 2014 году, который в 2019 году стал самым далёким и примитивным объектом, когда-либо исследованным космическим аппаратом НАСА «Новые горизонты».

Изображения Аррокота с двумя четко выраженными лопастями, соединенными «шейкой», вновь вызвали интерес к пониманию происхождения этих форм, которые также наблюдаются у других тел пояса Койпера, хотя и в меньшей степени.

Основной вопрос заключался в том, может ли общий и повторяющийся процесс объяснить, почему 10% планетезималов имеют такую ​​конфигурацию, или же, наоборот, они являются результатом исключительных и маловероятных событий. Предыдущие теории предлагали механизмы, включающие экзотические явления или особые столкновения, но ни одна из них не объясняла последовательно частоту наблюдения этих двойных систем.

Более ранние вычислительные модели, рассматривая сталкивающиеся объекты как капли жидкости, предсказывали, что они сольются в единую сферу, предотвращая образование двух лопастных структур.

Ведущий автор исследования Джексон Барнс из Мичиганского государственного университета преодолел это ограничение благодаря моделированию, включающему более реалистичные физические принципы. Используя ресурсы университетского Института кибербезопасности (ICER) и его высокопроизводительного вычислительного кластера, Барнс создал виртуальную среду, в которой объекты могут сохранять свою структурную прочность.

В отличие от моделей жидкостей, в этой симуляции агрегаты материала не деформируются в сферу при сближении; вместо этого они сохраняют свою целостность и могут прилегать друг к другу, образуя характерную двухлепестковую форму.

Процесс, воспроизведенный в ходе моделирования, вписывается в контекст раннего формирования планет. Более 4,5 миллиардов лет назад Млечный Путь в молодости представлял собой диск из газа и пыли. Первыми крупными объектами, образовавшимися из этого диска, были планетезималы, которые послужили строительными блоками для планет.

Эти тела образовались не сразу, а возникли в результате гравитационного коллапса облаков мелких камешков и частиц, слившихся воедино, подобно снежинкам, спрессованным в шар. В успешно смоделированном сценарии во время коллапса этого облака вещества происходит специфическое явление. Иногда, по мере вращения облака, оно сжимается само на себя таким образом, что первоначальная концентрация материи фрагментируется, образуя не одно тело, а два отдельных планетезимала, которые начинают вращаться друг вокруг друга.

Это двойные системы, которые астрономы часто наблюдают в поясе Койпера. Моделирование Барнса показывает, как со временем орбиты этих тел-близнецов постепенно сближаются, образуя спираль, которая медленно приближает их друг к другу, пока они, наконец, не соприкоснутся очень слабо и не сольются, при этом каждое из них сохранит свою округлую форму.

Соавтор исследования профессор Сет Джейкобсон из Университета штата Мичиган подчеркивает, что ключ к модели заключается в том, что она объясняет наблюдаемую статистику. Если мы считаем, что 10% планетезимальных объектов являются контактными двойными системами, то процесс их образования не может быть редким, утверждает Джейкобсон. Гравитационный коллапс идеально согласуется с тем, что мы наблюдали. Моделирование Барнса — первое, которое надежно проверяет эту давнюю гипотезу, включая физические параметры, необходимые для слияния без разрушения индивидуальности двух долей.

После того, как эти два объекта соприкасаются, возникает вопрос, как им удалось оставаться в таком положении миллиарды лет, не разделившись и не будучи разрушенными в результате столкновений. Ответ кроется в самой среде пояса Койпера. Это малонаселенный регион, где расстояния огромны, а столкновения крайне редки. В отличие от внутренней части Солнечной системы, здесь нет сил, которые могли бы разрушить эти хрупкие структуры.

На самом деле, многие из этих контактных двойных систем, включая Аррокот, имеют удивительно гладкие поверхности и лишены кратеров, которые были бы видны, если бы они подверглись сильной бомбардировке. Проще говоря, ни один другой объект не сталкивался с ними с достаточной силой, чтобы разорвать их на части.

Барнс ожидает, что его вычислительная модель откроет новые возможности для изучения более сложных многокомпонентных систем, таких как системы, содержащие три или более гравитационно взаимодействующих объекта. Исследовательская группа уже работает над новой версией симуляции, которая позволит моделировать весь процесс гравитационного коллапса с большей точностью и детализацией, начиная с самых ранних стадий, что может раскрыть еще больше секретов о фундаментальных процессах, сформировавших строительные блоки нашей Солнечной системы и остающихся нетронутыми, застывшими во времени, в далекой и безмолвной области пояса Койпера.