Ερευνητές ανέπτυξαν την πρώτη προσομοίωση ικανή να αναπαραγάγει το αινιγματικό σχήμα των ουράνιων σωμάτων που είναι γνωστά ως “διπλά συστήματα επαφής” (contact binaries) εκείνων των παγωμένων σωμάτων του εξωτερικού ηλιακού συστήματος που μοιάζουν με δύο ενωμένες σφαίρες, θυμίζοντας χιονάνθρωπο, και των οποίων η ύπαρξη προβληματίζει τους αστρονόμους εδώ και δεκαετίες.
Το εύρημα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, προσφέρει μια εξήγηση βασισμένη σε μια απροσδόκητα απλή διαδικασία: Τη βαρυτική κατάρρευση.
Ζώνη Κάιπερ: Το «Ψυγείο» του ηλιακού μας συστήματος
Επί χρόνια, η επιστημονική κοινότητα συζητούσε για τον τρόπο σχηματισμού αυτών των ιδιαίτερων αντικειμένων που κατοικούν στη Ζώνη Κάιπερ, εκείνη την αχανή περιοχή πέρα από τον Ποσειδώνα που περιέχει τα πιο αρχέγονα και αναλλοίωτα κατάλοιπα από τη γέννηση του ηλιακού συστήματος.
Εκεί, σε αντίθεση με την πιο βίαιη και χαοτική ζώνη των αστεροειδών, αιωρούνται οι πλανητοειδείς (planetesimals), οι οποίοι είναι τα πρώτα στερεά σώματα που στερεοποιήθηκαν από τον δίσκο σκόνης και αερίων που περιέβαλε τον νεαρό Ήλιο.
Περίπου ένας στους δέκα από αυτούς τους πλανητοειδείς της Ζώνης Κάιπερ παρουσιάζει μορφολογία διπλού συστήματος επαφής.
Arrokoth: Ο «Κόκκινος Χιονάνθρωπος» των 4 δισεκατομμυρίων εετών
Το πιο εμβληματικό και μελετημένο παράδειγμα είναι ο Arrokoth, ένα εξαιρετικά ερυθρό αντικείμενο ηλικίας 4 δισεκατομμυρίων ετών που ανακαλύφθηκε το 2014 και έγινε το πιο μακρινό και αρχέγονο αντικείμενο που εξερευνήθηκε ποτέ από διαστημικό σκάφος, το New Horizons της NASA, το 2019.
Οι εικόνες του Arrokoth, με τους δύο σαφώς καθορισμένους λοβούς του που ενώνονται με έναν “λαιμό”, αναζωπύρωσαν το ενδιαφέρον για την κατανόηση της προέλευσης αυτών των σχημάτων, τα οποία παρατηρούνται επίσης και σε άλλα σώματα της Ζώνης Κάιπερ, αν και με λιγότερη λεπτομέρεια.
Το θεμελιώδες ερώτημα ήταν αν μια κοινή και επαναλαμβανόμενη διαδικασία θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το 10% των πλανητοειδών παρουσιάζει αυτή τη διαμόρφωση, ή αν, αντίθετα, αποτελούσαν το αποτέλεσμα εξαιρετικών και απίθανων γεγονότων.
Προγενέστερες θεωρίες πρότειναν μηχανισμούς που περιλάμβαναν εξωτικά φαινόμενα ή ειδικές συγκρούσεις, αλλά καμία δεν εξηγούσε με συνέπεια τη συχνότητα με την οποία παρατηρούνται αυτά τα διπλά συστήματα.
Παλαιότερα υπολογιστικά μοντέλα, αντιμετωπίζοντας τα συγκρουόμενα αντικείμενα σαν να ήταν σταγονίδια ρευστού, προέβλεπαν ότι θα συγχωνεύονταν σε μια ενιαία σφαίρα, εμποδίζοντας τον σχηματισμό δομών με δύο λοβούς.
Η “απαλή επαφή” των πλανητοειδών: Η πρώτη προσομοίωση που εξηγεί το σχήμα των σωμάτων στη Ζώνη Κάιπερ
Ο Jackson Barnes, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν (MSU) και κύριος συγγραφέας της μελέτης, ξεπέρασε αυτόν τον περιορισμό χάρη σε μια προσομοίωση που ενσωματώνει πιο ρεαλιστική φυσική.
Χρησιμοποιώντας τους πόρους του Ινστιτούτου Έρευνας με τη Βοήθεια του Κυβερνοχώρου (ICER) του πανεπιστημίου και τη συστάδα υπολογιστών υψηλών επιδόσεων, ο Barnes δημιούργησε ένα εικονικό περιβάλλον όπου τα αντικείμενα μπορούν να διατηρήσουν τη δομική τους αντοχή.
Σε αντίθεση με τα μοντέλα ρευστών, σε αυτή την προσομοίωση τα συσσωματώματα υλικού δεν παραμορφώνονται σε σφαίρα όταν ενώνονται.
Αντίθετα, διατηρούν την ακεραιότητά τους και μπορούν να εφάπτονται το ένα στο άλλο, δίνοντας γέννηση στο χαρακτηριστικό δίλοβο σχήμα.
Η διαδικασία που αναπαρήγαγε η προσομοίωση εντάσσεται στο πλαίσιο του πρώιμου πλανητικού σχηματισμού. Πριν από περισσότερα από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ο Γαλαξίας μας στη νεότητά του ήταν ένας δίσκος αερίων και σκόνης.
Τα πρώτα μεγάλα αντικείμενα που σχηματίστηκαν από αυτόν τον δίσκο ήταν οι πλανητοειδείς, οι οποίοι λειτούργησαν ως οι δομικοί λίθοι για τους πλανήτες.
Αυτά τα σώματα δεν σχηματίστηκαν όλα ταυτόχρονα, αλλά προέκυψαν από τη βαρυτική κατάρρευση νεφών από μικρά βότσαλα και σωματίδια, τα οποία ενώθηκαν μεταξύ τους σαν νιφάδες χιονιού που συμπιέζονται σε μια μπάλα.
Στο σενάριο που προσομοιώθηκε τώρα με επιτυχία, ένα συγκεκριμένο φαινόμενο συμβαίνει κατά την κατάρρευση αυτού του νέφους υλικού.
Μερικές φορές, καθώς το νέφος περιστρέφεται, καταρρέει πάνω στον εαυτό του με τέτοιο τρόπο ώστε η αρχική συγκέντρωση ύλης κατακερματίζεται, παράγοντας όχι ένα ενιαίο σώμα, αλλά δύο διακριτούς πλανητοειδείς που αρχίζουν να περιφέρονται ο ένας γύρω από τον άλλο.
Αυτά είναι τα διπλά συστήματα που οι αστρονόμοι παρατηρούν συχνά στη Ζώνη Κάιπερ.
Η προσομοίωση του Barnes δείχνει πώς, με την πάροδο του χρόνου, οι τροχιές αυτών των δίδυμων σωμάτων στενεύουν σταδιακά, διαγράφοντας μια σπείρα που τα φέρνει αργά όλο και πιο κοντά, μέχρι που τελικά έρχονται σε εξαιρετικά απαλή επαφή και ενώνονται, διατηρώντας το καθένα το στρογγυλεμένο του σχήμα.
Το «κλειδί» του μοντέλου
Ο Seth Jacobson, καθηγητής Γεωλογικών Περιβαλλοντικών Επιστημών στο MSU και ένας από τους συγγραφείς του άρθρου, τονίζει ότι το κλειδί του μοντέλου είναι ότι εξηγεί τα παρατηρούμενα στατιστικά στοιχεία.
«Αν θεωρούμε ότι το 10% των πλανητοειδών αντικειμένων είναι διπλά συστήματα επαφής, η διαδικασία που τα σχηματίζει δεν μπορεί να είναι σπάνια», δηλώνει ο Jacobson.
Η βαρυτική κατάρρευση ταιριάζει απόλυτα με αυτό που έχουμε παρατηρήσει.
Η προσομοίωση του Barnes είναι η πρώτη που δοκιμάζει αυτή τη μακροχρόνια υπόθεση με τρόπο αξιόπιστο, συμπεριλαμβάνοντας τις φυσικές παραμέτρους που απαιτούνται ώστε η συγχώνευση να συμβεί χωρίς να καταστραφεί η ιδιαίτερη ταυτότητα των δύο λοβών.
Γιατί ο Arrokoth δεν καταστράφηκε ποτέ;
Μόλις αυτά τα δύο αντικείμενα ενωθούν, το ερώτημα που προκύπτει είναι πώς κατάφεραν να παραμείνουν έτσι για δισεκατομμύρια χρόνια, χωρίς να διαχωριστούν ή να καταστραφούν από προσκρούσεις.
Η απάντηση βρίσκεται στο ίδιο το περιβάλλον της Ζώνης Κάιπερ. Είναι μια αραιοκατοικημένη περιοχή όπου οι αποστάσεις είναι τεράστιες και οι συγκρούσεις εξαιρετικά σπάνιες.
Σε αντίθεση με το εσωτερικό ηλιακό σύστημα, εδώ δεν υπάρχουν δυνάμεις που να τείνουν να διαλύσουν αυτές τις εύθραυστες δομές. Στην πραγματικότητα, πολλά από αυτά τα διπλά συστήματα επαφής, συμπεριλαμβανομένου του Arrokoth, παρουσιάζουν εξαιρετικά λείες επιφάνειες και παρουσιάζουν έλλειψη κρατήρων που θα ήταν εμφανείς εάν είχαν υποστεί σημαντικό βομβαρδισμό.
Αποκρυπτογραφώντας τους Δομικούς Λίθους του Ηλιακού Συστήματος
Πολύ απλά, κανένα άλλο αντικείμενο δεν έχει συγκρουστεί μαζί τους με αρκετή δύναμη ώστε να τα κομματιάσει. Ο Barnes αναμένει ότι το υπολογιστικό του μοντέλο θα ανοίξει νέους δρόμους για τη μελέτη πιο περίπλοκων πολλαπλών συστημάτων, όπως εκείνων που περιλαμβάνουν τρία ή περισσότερα αντικείμενα που αλληλεπιδρούν βαρυτικά.
Η ερευνητική ομάδα εργάζεται ήδη σε μια νέα έκδοση της προσομοίωσης που θα επιτρέψει τη μοντελοποίηση ολόκληρης της διαδικασίας της βαρυτικής κατάρρευσης με μεγαλύτερη ακρίβεια και λεπτομέρεια από τα πρώτα της στάδια, γεγονός που θα μπορούσε να αποκαλύψει ακόμα περισσότερα μυστικά για τις θεμελιώδεις διαδικασίες που διαμόρφωσαν τους δομικούς λίθους του ηλιακού μας συστήματος και οι οποίες, παγωμένες στον χρόνο, παραμένουν ανέπαφες στην μακρινή και σιωπηλή περιοχή της Ζώνης Κάιπερ.