En modell utvecklad vid Fysiska fakulteten vid Technion, i samarbete med tyska forskare vid Tübingen, förklarar Arrokoths unika egenskaper, det mest avlägsna objekt som någonsin avbildats i solsystemet. Forskargruppens resultat kastar nytt ljus över bildandet av Kuiperbältsobjekt, asteroidliknande föremål i utkanten av solsystemet, och för att förstå de tidiga stadierna av solsystemets bildning.

Resultaten, publiceras i Natur , förklara de unika egenskaperna hos "snögubben, "känd formellt som Arrokoth, och bilder på det togs förra året av NASA:s New Horizons rymduppdrag.

Historien börjar 2006 när robotfarkosten New Horizons skickades för att ta de första närbilderna av Pluto och för att studera dess egenskaper och terräng. Efter lanseringen, New Horizons fixade sin bana mot Pluto, påbörjar en lång resa på cirka nio år. För att inte slösa bränsle och resurser, de flesta av dess system var i viloläge tills det var nära målet Pluto.

Tillbaka på jorden, den internationella astronomiska unionen beslutade att degradera Pluto från dess status som planet till en dvärgplanet. Kortfattat, New Horizons robotrymdfarkost skickades för att undersöka en planet, somnade, och vaknade och upptäckte att Pluto inte längre betraktades som en planet. Men detta förringade inte vikten av uppdraget. New Horizons gav spektakulära bilder av Pluto och dess måne Charon, och gav ovärderlig vetenskaplig information som nu fortfarande undersöks, och kommer sannolikt att studeras i flera år. Dessa studier kommer att ge viktig input för att förstå bildandet av solsystemet, och i synnerhet Kuiperbältet.

Men det finns fortfarande mer till New Horizons-äventyret. Medan Pluto är det största objektet längst bort i solsystemet, det är inte den enda. Bortom Neptunus finns en region som kallas Kuiperbältet, bestående av otaliga asteroidliknande föremål som sträcker sig i storlek från några fot till tusentals miles. Förhållandena i detta område är olika (och i synnerhet, mycket kallare), än dess "syster" asteroidbälte i det inre solsystemet, och Kuiperbältsobjekt består vanligtvis av mycket mer isiga material.

Rymdfarkosten New Horizon var utrustad med tillräckligt med resurser för att observera ett annat Kuiperbält-objekt om ett sådant objekt kunde hittas som inte var alltför långt från rymdfarkostens ursprungliga bana. Den 26 juni, 2014, efter en omfattande undersökning i jakt på sådana föremål, en identifierades av rymdteleskopet Hubble. Efter den identifieringen, forskargruppen New Horizons designade rymdfarkostens bana så att den skulle passera bredvid det nyfunna föremålet efter att ha avslutat sitt uppdrag att kartlägga Pluto. Fem år senare (och fyra efter mötet med Pluto 2015), New Horizons passerade objektet. Den 1 januari 2019, mänskligheten tog sin första närbild av ett litet Kuiperbält-objekt när rymdfarkosten New Horizons passerade det bara 3, 500 mil bort.

Omedelbart efter ankomsten av de första bilderna, Kuiperbältsobjektet (hittills känt som 2014 MU69) fick smeknamnet "snögubben" på grund av dess unika utseende. New Horizons-forskare kallade det ursprungligen Ultima Thule ("Världens kant" på latin), på grund av dess avlägsna läge i utkanten av solsystemet. Men objektet döptes så småningom om 486958 Arrokoth, för "himmel" eller "moln" på det numera utdöda indianspråket Powhatan.

New Horizons samlade en mängd information om snögubben:Det är en 30 kilometer lång kontaktbinär som består av två olikstora lober sammankopplade med en tunn hals, som verkar vara produkten av två mindre Kuiperbältsobjekt som kolliderade för att bilda Arrokoth.

Även om olika modeller har föreslagits för att förklara bildandet av Arrokoth och dess speciella egenskaper, dessa stötte på stora utmaningar, och kunde inte förklara viktiga egenskaper hos snögubben, i synnerhet dess långsamma rotationshastighet runt sig själv och dess stora lutningsvinkel. I deras Natur artikel, Technion-forskarna presenterar nya analytiska beräkningar och detaljerade simuleringar som förklarar Arrokoths formation och egenskaper.

Forskningen leddes av Ph.D. student Evgeni Grishin, postdoc Dr. Uri Malamud, och deras handledare professor Hagai Perets, i samarbete med den tyska forskargruppen i Tübingen.

"En enkel höghastighetskollision mellan två slumpmässiga föremål i Kuiperbältet skulle krossa dem, eftersom de sannolikt huvudsakligen är gjorda av mjukis, sade herr Grishin. Å andra sidan, om de två kropparna kretsade runt varandra i en cirkulär bana (liknande månen som kretsar runt jorden), och sedan sakta inspiral för att försiktigare närma sig varandra och ta kontakt, Arrokoths rotationshastighet skulle ha varit extremt hög, medan den uppmätta hastigheten faktiskt var ganska låg i förhållande till sådana förväntningar. Arrokoths fulla rotation tar 15,92 timmar. Dessutom, dess lutningsvinkel (i förhållande till planet för dess bana runt solen) är mycket stor - 98 grader - så den ligger nästan på sidan i förhållande till sin bana, en säregen egenskap i sig."

"Enligt vår modell, dessa två kroppar kretsar runt varandra, men eftersom de kretsar tillsammans runt solen, de utgör i grunden ett trippelsystem, " sade han. "Dynamiken i sådana trippelsystem är komplex och är känd som trekroppsproblemet. Dynamiken hos graviterande trippelsystem är känd för att vara mycket kaotisk. I vår studie, vi visade att systemet inte rörde sig på ett enkelt och ordnat sätt, men inte heller betedde sig på ett totalt kaotiskt sätt."

"Det utvecklades från att ha ett brett, relativt cirkulär bana, till en mycket excentrisk, elliptisk bana genom en långsam (sekulär) evolution, mycket långsammare jämfört med Arrokoths omloppsperiod runt solen, ", sade prof. Perets. "Vi kan visa att sådana banor så småningom leder till en kollision, som, å ena sidan, kommer att gå långsamt, och inte krossa föremålen, men å andra sidan, producera en långsamt roterande, mycket lutande föremål, överensstämmer med Arrokoths egenskaper."

"Våra detaljerade simuleringar bekräftade denna bild, och producerade modeller som liknar Arrokoths snögubbeutseende, rotation och lutning, sade Dr Malamud, Sammanfattningsvis.

Forskarna studerade också hur robusta och sannolika sådana processer är, och fann att de potentiellt är ganska vanliga med så många som 20 % av alla Kuiperbälts breda binärer, och potentiellt utvecklas på liknande sätt.

Tills nu, sa forskarna, det var inte möjligt att förklara Arrokoths unika egenskaper. Det är ett kontraintuitivt resultat, men sannolikheten för kollision i sådana konfigurationer ökar faktiskt när den initiala binären är mer brett separerad (men fortfarande bunden) och den initiala lutningsvinkeln är närmare 90 grader.

"Vår modell förklarar både den höga sannolikheten för kollision och de unika data som finns i det enhetliga systemet idag, och faktiskt förutspår att många fler föremål i Kuiperbältet, " sade herr Grishin. "Faktiskt, till och med Plutos och Charons system kan ha bildats genom en liknande process, och de verkar spela en viktig roll i utvecklingen av binära och månsystem i solsystemet.