Кто лепит «снеговиков» в Поясе Койпера? Как астрофизики доказали прямую сборку контактных планетезималей

На периферии Солнечной системы, за орбитой Нептуна, располагается холодная классическая популяция пояса Койпера. Эта область пространства представляет особый интерес для астрофизики, поскольку объекты в ней избежали значительного гравитационного влияния планет-гигантов и интенсивных столкновений. Они сохранили свою первоначальную физическую структуру с эпохи формирования Солнечной системы. В 2019 году космический аппарат New Horizons передал детальные данные об одном из таких объектов, планетезимали (486958) Аррокот — объекта, удивительно похожего на слепленного ребенком снеговика.

Объект имеет ярко выраженную двудольную форму: две массивные части, условно «голова» и «тело», соединены узким контактным перешейком. Анализ поверхности показал наличие летучих химических соединений и минимальное количество кратеров. Отсутствие следов структурной деформации и сохранение летучих льдов строго указывают на то, что компоненты Аррокота аккуратно соединились в условиях низких скоростей.

Долгое время в планетологии доминировала гипотеза о поэтапном формировании подобных систем. Теоретические модели предполагали, что первоначально из облака космической пыли образуется стабильная бинарная система — два отдельных тела, вращающихся вокруг общего центра масс. Затем, на протяжении миллионов лет, внешние факторы (аэродинамическое сопротивление остаточного газа в протопланетном диске или сложные гравитационные резонансы) постепенно сокращали их орбиту, пока тела не соприкасались.

Новое исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предлагает принципиально иной механизм. Группа астрофизиков с помощью высокоточного компьютерного моделирования доказала, что контактные двойные планетезимали формируются напрямую в процессе первичного гравитационного коллапса пылевого облака, минуя стадию длительной орбитальной эволюции.

Вычислительная механика дискретных элементов

Для реконструкции физических процессов, происходивших 4,5 миллиарда лет назад, классических методов математического моделирования недостаточно. Традиционные N-body симуляции (моделирование задачи N-тел) часто используют алгоритм идеального слияния: при соприкосновении двух объектов программа объединяет их в одну сферу с суммарной массой и усредненным импульсом. Этот подход не позволяет анализировать форму конечного тела и динамику поверхностных взаимодействий.

Чтобы решить эту проблему, исследователи применили метод дискретных элементов с «мягкими сферами» (SSDEM), интегрированный в вычислительный код PKDGRAV. Метод SSDEM рассчитывает не только дальние гравитационные взаимодействия, но и физику ближнего контакта. При столкновении частиц алгоритм учитывает их упругость, параметры поверхностного трения и способность к взаимному проникновению материалов. Виртуальные частицы не сливаются в математическую точку, а образуют физические агрегаты сложной формы.

Поскольку прямое моделирование реального физического облака, состоящего из септиллиона (10²⁴) миллиметровых пылинок, превышает возможности современных суперкомпьютеров, исследователи использовали систему «суперчастиц». В симуляцию было загружено 100 000 элементов радиусом около 2 километров каждый. В совокупности они имитировали массу, достаточную для формирования планетезимали диаметром около 100 километров. Моделирование запускалось 54 раза с варьированием начальной скорости вращения облака и параметров контактной физики.

Физика гравитационного коллапса

Формирование планетезимали начинается с процесса, известного как потоковая неустойчивость. В протопланетном диске аэродинамическое взаимодействие между твердыми частицами и газом приводит к концентрации материи в плотные рои. Когда масса такого роя превышает критический предел, облако начинает стремительно сжиматься под действием собственной гравитации.

Моделирование с использованием метода SSDEM продемонстрировало пошаговую физику этого процесса:

1. Увеличение скорости вращения и фрагментация. По мере того как облако сжимается, его объем резко уменьшается. Согласно закону сохранения момента импульса, скорость вращения системы возрастает. Облако не может сколлапсировать в единое центральное тело, так как центробежные силы превысили бы предел прочности объекта, разорвав его на части. В результате масса распределяется между двумя крупными центрами гравитации — формируется изначальная бинарная система.
2. Орбитальная диссипация энергии. Образованная пара крупных тел не находится в вакууме. Внутри коллапсирующего облака продолжает двигаться множество более мелких частиц. Взаимодействие между бинарной системой и этой средой подчиняется теореме Хегги-Хиллса («жесткие двойные системы становятся жестче»). Пролетающие мимо мелкие частицы гравитационно взаимодействуют с парой массивных тел и получают от них кинетическую энергию, после чего выбрасываются за пределы системы. Отдавая энергию мелким фрагментам, пара крупных тел теряет свой взаимный орбитальный момент.
3. Сближение и контакт. Потеря взаимной орбитальной энергии приводит к неуклонному уменьшению большой полуоси орбиты. Два массивных компонента по спирали сближаются друг с другом. В конечном итоге происходит физический контакт.

Анализ скоростей столкновения в симуляции показал значения от 0,4 до 5,8 метра в секунду (за исключением одного выброса на 16,9 м/с). Этот диапазон полностью совпадает с независимыми геофизическими расчетами для Аррокота, согласно которым его компоненты должны были столкнуться на скорости от 2,9 до 5,0 м/с. При таких кинетических параметрах ударной энергии недостаточно для сублимации льдов или разрушения структуры. Компоненты сохраняют свою целостность, уплотняясь лишь в зоне непосредственного контакта.

Морфология и динамика образованных систем

Результаты моделирования не только подтверждают сам факт прямого слияния, но и точно воспроизводят физические характеристики наблюдаемых объектов пояса Койпера.

Форма и масса компонентов

Симуляция показала, что контактные двойные тела редко формируются как самые крупные объекты в центре коллапсирующего облака. Чаще всего они образуются из периферийного материала и в процессе коллапса выбрасываются из основной системы. Это объясняет, почему размер Аррокота составляет около 36 километров в длину, хотя общая масса типичного сжимающегося облака предполагает формирование объектов стокилометрового масштаба. Соотношение масс двух долей напрямую зависит от изначальной скорости вращения газопылевого облака.

Ось вращения

Смоделированные контактные планетезимали демонстрируют стабильную скорость вращения. Большинство из них совершает полный оборот вокруг своей оси за 8,0-11,5 часов. Наблюдаемый период вращения Аррокота больше и составляет 15,93 часа. Исследователи объясняют это расхождение фактором времени. За 4,5 миллиарда лет Аррокот подвергался микрометеоритной бомбардировке. Учитывая высокую пористость объекта (около 50%), неупругие столкновения с мелкими частицами приводили к уплотнению поверхности и постепенному рассеиванию кинетической энергии вращения, что замедлило объект до его текущих значений.

Пропорции осей

Измерение геометрических параметров смоделированных объектов (соотношение осей a, b и c) выявило высокую корреляцию с данными наблюдений за реальными контактными двойными астероидами. Единственным заметным отклонением является форма более крупной доли Аррокота (область Wenu), которая имеет более плоский, гексагональный профиль, чем сферические доли в компьютерной модели. Это ограничение связано с разрешением симуляции: использование одинаковых двухкилометровых суперчастиц сглаживает финальную геометрию. Ожидается, что интеграция в расчеты частиц разного размера устранит это расхождение в будущих работах.

Значение для планетологии

Доля контактных двойных систем в классическом поясе Койпера оценивается минимум в 10-25 процентов, при этом значительная часть таких объектов может оставаться нераспознанной из-за неблагоприятных углов наблюдения с Земли.

Моделирование SSDEM доказывает, что эта конфигурация не является аномалией или результатом стечения редких орбитальных обстоятельств на протяжении миллиардов лет. Форма контактных двойных планетезималей — это прямое следствие законов орбитальной механики и сохранения импульса, работающих в сжимающемся пылевом облаке.

Таким образом, структуры вроде Аррокота представляют собой чистые первозданные слепки ранней Солнечной системы. Изучая их форму, распределение массы и скорость вращения сегодня, планетологи получают доступ к точным физическим параметрам среды, в которой происходило первичное накопление твердого вещества до образования полноценных планет.

Источник:Monthly Notices of the Royal Astronomical Society