Ученым впервые удалось разработать симуляцию, позволяющую воссоздать необычную структуру небесных тел, называемых «контактными двойными системами». Эти объекты, расположенные во внешней Солнечной системе, представляют собой ледяные тела, визуально напоминающие две соединенные сферы, похожие на снеговика. На протяжении многих лет их существование вызывало затруднения у астрономов.
В статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, представлено объяснение, основанное на неожиданно простом механизме — гравитационном сжатии. На протяжении многих лет ученые обсуждали, каким образом возникли эти необычные объекты, расположенные в поясе Койпера — обширной области за орбитой Нептуна, где сохранились наиболее древние и нетронутые остатки времен формирования Солнечной системы. В отличие от пояса астероидов, характеризующегося большей беспорядочностью, там находятся планетезимали — первые твердые тела, возникшие из газопылевого диска, окружавшего молодое Солнце.
Около одной из десяти планетезималей, расположенных в поясе Койпера, представляет собой контактную двойную систему. Наиболее известным и детально исследованным примером является Аррокот — объект возрастом около четырех миллиардов лет, который был открыт в 2014 году. В 2019 году он стал самым удалённым и древним объектом, когда-либо изученным космическим аппаратом NASA «Новые горизонты». Полученные изображения Аррокота, демонстрирующие его две отчетливо выделяющиеся доли, соединенные узким перешейком, вновь усилили интерес к вопросам о происхождении таких структур, которые также встречаются и у других тел в поясе Койпера.
Центральным вопросом оставалось выяснение, существует ли универсальный и регулярно повторяющийся процесс, способный объяснить, почему у 10% планетезималей наблюдается подобная конфигурация, или же они формировались в результате уникальных и маловероятных событий. Предыдущие гипотезы предполагали участие необычных явлений или специфических столкновений, однако ни одна из них не смогла убедительно объяснить распространенность этих двойных систем. Первоначальные компьютерные симуляции, в которых рассматривались сталкивающиеся объекты как капли жидкости, указывали на их слияние в единую сферу, что затрудняло возникновение двухлопастных структур.
Джексон Барнс, аспирант Университета штата Мичиган и ведущий автор исследования, нашел решение этой проблемы с помощью симуляции, в которой учтена более правдоподобная физика. Благодаря использованию ресурсов университетского Института кибер-исследований (ICER) и его высокопроизводительного вычислительного кластера, Барнс разработал виртуальную среду, позволяющую объектам сохранять свою структурную прочность. В отличие от моделей, описывающих жидкости, в этой симуляции при соединении агрегаты материала не принимают форму шара, а поддерживают свою целостность и способны опираться друг на друга, что и обуславливает формирование характерной двухлопастной структуры.
Смоделированный процесс соответствует условиям, существовавшим на ранних этапах формирования планет. Более 4,5 миллиардов лет назад Млечный Путь представлял собой газопылевой диск. Первыми крупными структурами, образовавшимися из этого диска, были планетезимали – предшественники планет. Эти тела формировались в результате гравитационной деформации облаков пыли и мелких частиц, которые слипались, напоминая сжатые в шар снежинки. В ходе успешно проведенного моделирования выявлено специфическое явление, возникающее во время деформации подобного облака. В процессе вращения облако может фрагментировать исходную концентрацию вещества, приводя к образованию не одного, а двух отдельных тел, начинающих вращаться вокруг друг друга. Именно так формируются двойные системы, которые астрономы нередко обнаруживают в поясе Койпера.
Моделирование Барнса демонстрирует, что орбиты этих двух объектов со временем неуклонно уменьшаются, что приводит к их движению по спирали навстречу столкновению. В конечном итоге они вступают в очень мягкое соприкосновение и объединяются, при этом сохраняя свою округлую форму. Сет Джейкобсон, профессор наук о Земле и окружающей среде и один из соавторов , указывает на то, что основой модели является интерпретация выявленных статистических данных. « По мнению Джейкобсона, если исходить из того, что 10% планетезималей образуют контактные двойные системы, то их формирование – распространенный процесс. Гравитационный коллапс хорошо согласуется с полученными нами наблюдениями ».
С момента объединения двух объектов возникает вопрос о том, как они смогли сохранять подобное состояние на протяжении миллиардов лет, избежав разрыва и разрушения в результате столкновений. Объяснение заключается в характеристиках среды пояса Койпера. Это область с крайне низкой плотностью, где расстояния колоссальны, а вероятность столкновений минимальна. В отличие от внутренней части Солнечной системы, здесь отсутствуют факторы, способные разрушить эти нежные образования. Многие из этих соприкасающихся двойных систем, в том числе Аррокот, обладают удивительно ровными поверхностями и не имеют кратеров, что указывает на незначительное воздействие бомбардировки. Иными словами, ни один из объектов не сталкивался с ними с достаточной силой, чтобы привести к их разделению.
Барнс выражает надежду на то, что его компьютерная модель проложит новые направления в исследовании комплексных систем, включающих, к примеру, три или более гравитационно связанных объекта. В настоящее время научная группа разрабатывает обновленную версию симуляции, которая позволит точнее и подробнее воспроизводить весь процесс гравитационного коллапса, начиная с самых ранних этапов. Это, вероятно, позволит узнать больше о базовых процессах, которые сформировали компоненты нашей Солнечной системы, сохранившиеся в неизменном виде в удалённом и безмолвном районе пояса Койпера.