Massorna för satelliten/satelliterna sträcker sig från 1/10 till 1/1000 av motsvarande TNO. För jämförelse, Jorden och månen visas också. Kredit:NASA/APL/SwRI/ESA/STScI
Med hjälp av sofistikerade datorsimuleringar och observationer, ett team ledd av forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology har visat hur de så kallade trans-neptuniska objekten (eller TNO) kan ha bildats. TNO:er, som inkluderar dvärgplaneten Pluto, är en grupp isiga och steniga små kroppar - mindre än planeter, men större än kometer – som kretsar runt solsystemet bortom planeten Neptunus. TNO:er bildades troligen samtidigt som solsystemet, och att förstå deras ursprung kan ge viktiga ledtrådar om hur hela solsystemet uppstod.
Liksom många solsystemkroppar, inklusive jorden, TNO:er har ofta sina egna satelliter, som troligen bildades tidigt från kollisioner mellan solsystemets byggstenar. Att förstå ursprunget till TNO:er tillsammans med deras satelliter kan hjälpa till att förstå ursprunget och den tidiga utvecklingen av hela solsystemet. Egenskaperna hos TNO:er och deras satelliter, t.ex. deras orbitala egenskaper, sammansättning och rotationshastigheter – ger ett antal ledtrådar för att förstå deras bildande. Dessa egenskaper kan återspegla deras bildande och kollisionshistorik, vilket i sin tur kan vara relaterat till hur banorna för jätteplaneterna Jupiter, Saturnus, Neptunus, och Uranus förändrades med tiden sedan solsystemet bildades.
Rymdfarkosten New Horizons flög av Pluto, den mest kända TNO, 2015. Sedan dess har Pluto och dess satellit Charon har tilldragit sig mycket uppmärksamhet från planetforskare, och många nya små satelliter runt andra stora TNO:er har hittats. Faktiskt, alla kända TNO:er större än 1000 km i diameter är nu kända för att ha satellitsystem. Intressant, intervallet för uppskattat massförhållande mellan dessa satelliter och deras värdsystem sträcker sig från 1/10 till 1/1000, som omfattar mån-till-jord massförhållandet (~1/80). Detta kan vara betydelsefullt eftersom jordens måne och Charon båda tros ha bildats från en gigantisk stöt.
De övre panelerna visar ögonblicksbilder för det satellitbildande jättenedslaget med cirka 1 km/s av islagshastigheten och 75 grader av islagsvinkeln. Den nedre panelen visar den schematiska vyn för cirkulariseringen av satellitens omloppsbana på grund av tidvatteninteraktion efter satellitbildning. Kredit:Arakawa et al. (2019) Natur astronomi
För att studera bildandet och utvecklingen av TNO-satellitsystem, forskargruppen utförde mer än 400 gigantiska effektsimuleringar och beräkningar av tidvattenevolution. "Det här är verkligen hårt arbete, " säger studiens seniorförfattare, Professor Hidenori Genda från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology. Andra Tokyo Tech-teammedlemmar var Sota Arakawa och Ryuki Hyodo.
Tokyo Tech-studien fann att storleken och omloppsbanan för satellitsystemen för stora TNO:er förklaras bäst om de bildades från nedslag från smälta stamfader. De fann också att TNO:er som är tillräckligt stora kan behålla intern värme och förbli smälta under ett intervall på bara några miljoner år; speciellt om deras inre värmekälla är kortlivade radioaktiva isotoper som aluminium-26, vilket också har varit inblandat i den inre uppvärmningen av meteoriternas moderkroppar. Eftersom dessa stamfader skulle behöva ha en hög kortlivad radionuklidhalt för att smälta, dessa resultat tyder på att TNO-satellitsystem bildades innan de yttre planeternas migration utåt, inklusive Neptunus, eller under de första ~ 700 miljoner åren av solsystemets historia.
Förhållandet mellan den initiala excentriciteten för de bildade satelliterna och den slutliga excentriciteten efter 4,5 miljarder år lång tidvattenutveckling visas för tre fall. När planetariska kroppar är stela under hela tiden (höger figur) eller de beter sig som en vätska under de första 1000 åren (mellanfigur), de flesta av excentriciteterna var inte dämpade, vilket inte är oförenligt med observationen. När de beter sig som en vätska för första> 1 miljon år, de resulterande excentriciteterna överensstämmer med observationen. Kredit:Arakawa et al. (2019) Natur astronomi
Tidigare teorier om planetbildning hade föreslagit att tillväxten av TNO tog mycket längre tid än livslängden för kortlivade radionuklider, och därför får TNO inte ha smälts när de bildades. Dessa forskare fann, dock, att snabb TNO-bildning överensstämmer med nyare planetbildningsstudier som tyder på att TNO bildas via ansamling av små fasta ämnen till redan existerande kroppar. Den snabba bildningen av stora TNO:er överensstämmer med nyare planetbildningsstudier; dock, andra analyser tyder på att kometer bildades väl efter att de flesta kortlivade radionuklider hade sönderfallit. Således noterar författarna att det fortfarande finns mycket arbete att göra för att ta fram en enhetlig modell för ursprunget till solsystemets planetkroppar.
