Учёные раскрыли тайну формирования загадочных «снеговиков» в поясе Койпера

Исследователям впервые удалось создать симуляцию, способную воспроизвести причудливую форму небесных тел, известных как «контактные двойные системы». Речь идёт о ледяных объектах внешней Солнечной системы, которые выглядят как две слипшиеся сферы, напоминающие снеговика. Их существование десятилетиями ставило астрономов в тупик.

Открытие, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предлагает объяснение, основанное на удивительно простом процессе — гравитационном коллапсе. Долгие годы научное сообщество спорило о том, как сформировались эти необычные объекты, населяющие пояс Койпера — обширную область за орбитой Нептуна, где находятся самые примитивные и неизменные остатки со времен рождения Солнечной системы. В отличие от более хаотичного пояса астероидов, там дрейфуют планетезимали — первые твердые тела, образовавшиеся из газопылевого диска молодого Солнца.

Примерно каждая десятая планетезималь в поясе Койпера имеет морфологию контактной двойной системы. Самым известным и изученным примером является Аррокот — четырехмиллиарднолетний объект, открытый в 2014 году. В 2019 году он стал самым далеким и примитивным объектом, когда-либо исследованным космическим аппаратом NASA «Новые горизонты». Снимки Аррокота с его двумя четко выраженными долями, соединенными «шейкой», возобновили интерес к пониманию происхождения этих форм, которые также наблюдаются и у других тел в поясе Койпера.

Ключевой вопрос заключался в том, существует ли общий и повторяющийся процесс, который может объяснить, почему 10% планетезималей обладают такой конфигурацией, или же они являются результатом исключительных и маловероятных событий. Предыдущие теории предлагали механизмы с участием экзотических явлений или особых столкновений, но ни одна из них не могла последовательно объяснить частоту, с которой наблюдаются эти двойные системы. Ранние компьютерные модели, рассматривавшие сталкивающиеся объекты как капли жидкости, предсказывали их слияние в единую сферу, что препятствовало формированию двухлопастных структур.

Джексон Барнс, аспирант Университета штата Мичиган и ведущий автор исследования, преодолел это ограничение благодаря симуляции, включающей более реалистичную физику. Используя ресурсы университетского Института кибер-исследований (ICER) и его высокопроизводительный вычислительный кластер, Барнс создал виртуальную среду, где объекты могут сохранять свою структурную прочность. В отличие от моделей жидкостей, в этой симуляции агрегаты материала при соединении не деформируются в шар, а сохраняют целостность и могут опираться друг на друга, что и приводит к характерной двухлопастной форме.

Воспроизведенный симуляцией процесс вписывается в контекст раннего формирования планет. Более 4,5 миллиардов лет назад Млечный Путь представлял собой диск из газа и пыли. Первыми крупными объектами, сформировавшимися из этого диска, стали планетезимали — строительные блоки для планет. Эти тела возникали в результате гравитационного коллапса облаков мелких частиц и пыли, слипаясь, как снежинки, сжатые в шар. В успешно смоделированном сценарии во время коллапса такого облака происходит специфическое явление. Иногда, по мере вращения облака, оно коллапсирует таким образом, что фрагментирует первоначальную концентрацию материи, порождая не одно, а два отдельных тела, которые начинают вращаться друг вокруг друга. Это и есть те двойные системы, которые астрономы часто наблюдают в поясе Койпера.

Симуляция Барнса показывает, как со временем орбиты этих двух тел постепенно сужаются, заставляя их двигаться по спирали навстречу друг другу, пока они не вступают в чрезвычайно мягкий контакт и не сливаются, сохраняя каждый свою округлую форму. Сет Джейкобсон, профессор наук о Земле и окружающей среде и соавтор статьи, подчеркивает, что ключ к модели заключается в объяснении наблюдаемой статистики. «Если мы считаем, что 10% планетезималей являются контактными двойными системами, то процесс их формирования не может быть редким, — утверждает Джейкобсон. — Гравитационный коллапс идеально соответствует тому, что мы наблюдали».

После того как два объекта соединились, возникает вопрос, как им удалось оставаться в таком состоянии миллиарды лет, не разъединившись и не будучи уничтоженными при ударах. Ответ кроется в среде самого пояса Койпера. Это малонаселенная область, где расстояния огромны, а столкновения крайне редки. В отличие от внутренней Солнечной системы, здесь нет сил, стремящихся разрушить эти хрупкие структуры. Многие из этих контактных двойных систем, включая Аррокот, демонстрируют удивительно гладкие поверхности и лишены кратеров, что свидетельствует об отсутствии значительной бомбардировки. Проще говоря, ни один другой объект не сталкивался с ними с достаточной силой, чтобы разорвать их на части.

Барнс надеется, что его компьютерная модель откроет новые пути для изучения более сложных множественных систем, например, содержащих 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 с самых ранних стадий. Это может раскрыть еще больше секретов о фундаментальных процессах, сформировавших строительные блоки нашей Солнечной системы, которые, застыв во времени, остаются нетронутыми в далекой и безмолвной области пояса Койпера.