Загадка пояса Койпера: почему 10% объектов там похожи на снеговиков?

Воображение редко рисует нам окрестности Солнечной системы как поле чудес. О нем привыкли думать как о безжизненной пустоте, с редкими безликими каменными глыбами. Однако реальность, которую открывают астрономы, оказывается куда более причудливой. Далеко за орбитой Нептуна, в ледяной тишине пояса Койпера, дрейфуют миллиарды объектов (планетезималей), свидетелей рождения планет.

Примерно каждый десятый крупный объект там похож на снеговика — он представляет собой две идеально круглые глыбы, слипшиеся вместе. Долгие годы ученые ломали голову над тем, как без участия человека, в условиях невесомости и полного вакуума, могли появиться такие формы. И вот, исследователи из Мичиганского государственного университета, кажется, нашли ответ, и он удивительно прост.

Ключ к разгадке тайны оказался спрятан не в телескопах, а в возможностях современных суперкомпьютеров. Аспирант Джексон Барнс создал симуляцию, которая впервые смогла естественным путем воспроизвести процесс рождения этих космических снеговиков. Ранее все компьютерные модели рассматривали сталкивающиеся небесные тела как нечто вроде жидких капель, которые при слиянии тут же превращаются в идеальный шар, подобно тому, как сливаются две капли воды на стекле.

Но ледяные глыбы пояса Койпера это не вода, они обладают прочностью и структурой. Благодаря высокопроизводительному вычислительному кластеру Института кибербезопасности университета, модель Барнса смогла учесть это свойство. Виртуальные объекты в его симуляции сохраняли свою форму и, встречаясь, не растекались, а аккуратно соприкасались, застывая в знаменитой двухлопастной конфигурации.

До этого ученые предлагали и другие теории, объясняющие происхождение «снеговиков». Например, что они могли сформироваться в результате какого-то особого, редкого космического катаклизма или необычного стечения обстоятельств. Но старший автор исследования, профессор Сет Джейкобсон, справедливо замечает, что если 10% всех объектов в этом регионе выглядят именно так, то их появление не может быть случайностью. Процесс должен быть массовым и закономерным, и гравитационный коллапс, смоделированный учеными, подходит на эту роль как нельзя лучше.

Но как же выглядит этот процесс? На заре формирования Солнечной системы она представляла собой огромный вращающийся диск из пыли и газа. В поясе Койпера, словно в музее, сохранились строительные блоки той эпохи — планетезимали. Они формировались из облаков мелких частиц размером с камешек, которые под действием гравитации спрессовывались воедино. Моделирование показало, что иногда вращение такого облака приводило к тому, что оно как бы замыкалось само на себя, разделяясь на два центра притяжения. Так рождались двойные планетезимали, которые начинали вращаться друг вокруг друга. Гравитация постепенно стягивала их по спирали все ближе и ближе, пока они наконец не соприкасались. И поскольку вокруг, в разреженном поясе Койпера, крайне мало объектов, способных нарушить их покой, эти «нежные объятия» могут длиться миллиарды лет, сохраняя первозданную форму двух шаров.

Именно снимки, переданные космическим аппаратом НАСА «Новые горизонты», который в 2019 году пролетел мимо одного из таких объектов под названием Аррокот, вдохновили ученых на это исследование. Фотографии показали удивительный мир далеких ледяных объектов и подтвердили, что многие из них не просто не имеют кратеров, но и выглядят так, будто только что родились. Это косвенно подтверждает теорию о том, что они никогда не подвергались агрессивным бомбардировкам, которые могли бы их разрушить или изменить.

Работа ученых, опубликованная в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, не просто решает загадку снеговиков. Она открывает новые горизонты для изучения всей Солнечной системы. Теперь, когда модель доказала свою состоятельность, ученые планируют использовать ее для понимания еще более сложных систем, состоящих из трех и более объектов, а также для более детального моделирования самого процесса коллапса.