Na samym skraju Układu Słonecznego krąży obiekt, który wygląda jak zlepiony w próżni bałwan. Naukowcy właśnie pokazali, iż tę rzeźbę wykonała sama grawitacja, a proces, który za nią stoi, bardziej kojarzy się z rodzeniem gwiazd niż z powstawaniem asteroid.
Arrokoth, znany wcześniej jako 2014 MU69, to niewielki obiekt z Pasa Kuipera, czyli rozległego, lodowego pierścienia za orbitą Neptuna. W tym obszarze krąży całe stado zamarzniętych brył lodu i skał, będących reliktami czasów, gdy Układ Słoneczny dopiero się formował.
Świat po raz pierwszy zobaczył Arrokotha z bliska 1 stycznia 2019 r., kiedy to sonda New Horizons (ta sama, która wcześniej odwiedziła Plutona) przeleciała tuż obok obiektu i przesłała zdjęcia jego dziwacznej sylwetki. Zamiast jednej bryły widać było dwie złączone ze sobą kulki, spłaszczone i lekko zdeformowane, przypominające dziecięcego bałwana ulepionego z nie do końca równej ilości śniegu.
Fot: NASATakie obiekty astronomowie nazywają kontaktowymi układami podwójnymi. Są to dwa ciała, które kiedyś krążyły wokół wspólnego środka masy, a potem tak bardzo zwolniły i zbliżyły swoje orbity, iż delikatnie się zetknęły i skleiły. Bez gwałtownej kolizji, bez spektakularnej eksplozji. Raczej jak dwie śnieżki, które ktoś spokojnie docisnął do siebie w rękawiczkach.
Szacunki mówią, iż takie bałwany mogą stanowić choćby kilkanaście proc. populacji małych obiektów w Pasie Kuipera. To znaczy, iż Arrokoth nie jest kosmicznym wybrykiem natury, ale przedstawicielem całej, bardzo ważnej rodziny ciał.
Grawitacyjny kolaps, czyli wielkie ściąganie
Nowa praca zespołu kierowanego przez Jacksona Barnesa z Michigan State University proponuje scenariusz, który wreszcie spina wszystkie elementy układanki w spójną całość.
Najważniejszym pojęciem jest grawitacyjny kolaps. W najbardziej znanej wersji to proces, w którym ogromne obłoki gazu zapadają się pod własnym ciężarem, tworząc gwiazdy czy choćby czarne dziury. W tym wypadku naukowcy przenieśli tę ideę na dużo mniejszą skalę, bo do świata kosmicznych okruchów lodu i pyłu.
Wyobraź sobie ogromną, rzadką chmurę drobinek – od pyłu po kawałki większe od budynków. Taka chmura, powstała w pierwotnym dysku materii wokół młodego Słońca, powoli wiruje. Grawitacja każdej cząstki ściąga inne, całość zaczyna się zagęszczać, a lokalne zagęszczenia rosną szybciej niż reszta. To jest właśnie kolaps: chmura przestaje być luźnym smogiem z lodu i skał, a zaczyna przypominać skupisko ziaren zsypujących się w jeden, wspólny stos.
Dodatkowy twist jest taki, iż ta chmura nie jest idealnie symetryczna. Ma swój ruch obrotowy, drobiny nie spadają prosto do środka, tylko tańczą po spiralnych torach. W efekcie w zapadającej się chmurze mogą wykształcić się dwa główne zgrubienia materii – zalążki przyszłych głów kosmicznego bałwana.
Nie krople cieczy, tylko sterta kamyków
Wcześniejsze modele próbujące odtworzyć powstanie Arrokoth traktowały takie obiekty trochę jak krople cieczy. Dwie bryły w symulacji były jak dwa miękkie balony, które przy kontakcie łączą się w jeden, gładki kształt. Problem jednak w tym, iż prawdziwe asteroidy i obiekty pasa Kuipera nie zachowują się jak woda. To raczej ogromne sterty gruzu, lodu i pyłu, w których ważne są tarcie, sztywność pojedynczych skał i sposób, w jaki klinują się one o siebie.
Zespół Barnesa poszedł inną drogą. Zamiast kilku abstrakcyjnych brył, w symulacjach pojawiło się aż 100 tys. osobnych kamyków. Każdy z nich miał własną masę, trajektorię i mógł zderzać się, ocierać i blokować z innymi. To podejście dużo bliższe temu, jak naprawdę zachowuje się kosmiczny gruz.
Badacze pozwolili takiej chmurze żyć własnym życiem. Na początku wszystkie drobiny bardzo luźno orbitywały wspólny środek masy, trochę jak tłum ludzi na wielkim, powoli obracającym się lodowisku. Z czasem pod wpływem grawitacji system zaczął się rozpadać na gęstsze skupiska. Niektóre z nich zderzały się, inne tylko mijały. W części symulacji z tej chaotycznej mieszanki zaczynały wyłaniać się struktury bardzo przypominające Arrokoth: dwa złączone, lekko spłaszczone płaty, połączone wąską szyją.
Co ważne, kolizje prowadzące do takiego kształtu były niezwykle łagodne. Prędkości zderzeń przypominały raczej powolne dociskanie klocków LEGO, niż zderzenie samochodów na autostradzie. To zgadza się z obserwacjami, iż powierzchnia Arrokoth jest stosunkowo gładka i ma kilka dużych kraterów, co wskazuje na spokojną, cichą historię powstawania, a nie serię gwałtownych wypadków.
Kosmiczne bałwany jako kapsuły czasu
Takie obiekty, jak Arrokoth są traktowane przez astronomów jak swoiste, lodowate kapsuły czasu. Znajdują się na peryferiach Układu Słonecznego, daleko od Słońca, więc przez ponad 4,5 mld lat nie zdążyły się mocno nagrzać ani przemieszać w wyniku licznych zderzeń. To znaczy, iż ich kształt i wewnętrzna struktura noszą ślady tego, jak z pierwotnego dysku pyłu i gazu powstawały pierwsze zalążki planet.
Jeśli nowe symulacje rzeczywiście dobrze opisują narodziny Arrokoth, to mamy mocny argument za tym, iż znaczną część małych ciał w Pasie Kuipera uformowała właśnie stopniowa, grawitacyjna lawina drobin, a nie pojedyncze, brutalne zderzenia większych bloków.
To z kolei wpływa na modele powstawania całych planet. Inaczej liczy się czas, w którym rosną planetarne jądra, inaczej rozkłada się materia w młodym Układzie Słonecznym, inaczej wyglądają prognozy dotyczące tego, jak często i gdzie powstają światy skaliste podobne do Ziemi.
