Исследования пояса Койпера: сверхширокие двойные объекты — не из древней Солнечной системы?

Схема пояса Койпера. Крупные объекты — это Солнце, Юпитер, Уран, Нептун и Сатурн. За ними находятся объекты пояса Койпера различных категорий. Масштаб в а.е. Расстояния указаны в масштабе, но точки Солнца и планет — нет. Автор: Wikipedia via CC BY-SA 3.0

Попытки понять состав и эволюцию пояса Койпера Солнечной системы занимают исследователей с тех пор, как его существование было выдвинуто вскоре после открытия Плутона в 1930 году. В частности, бинарные пары объектов там полезны в качестве индикаторов, поскольку их существование сегодня рисует картину того, насколько энергичной или бурной была эволюция Солнечной системы в ее ранние дни четыре миллиарда лет назад.

Внимательно изучив эволюцию сверхширокого (в разделении) двойного объекта, исследователи включили больше физики, которая многое проливает на их архитектуру и разворачивание. Они обнаружили, что эти сверхширокие двойные, возможно, не были сформированы в изначальной солнечной системе, как считалось. Их работа была опубликована в Nature Astronomy.

«Во внешних пределах Солнечной системы существует популяция двойных систем, настолько удаленных друг от друга, что, казалось, стоило изучить, смогут ли они просуществовать 4 миллиарда лет, не будучи каким-либо образом [полностью] разделенными», — сказал Хантер М. Кэмпбелл из Университета Оклахомы в США.

«Если они сформировались в раннем поясе Койпера и просуществовали так долго, можно сделать ряд выводов о том, насколько энергичной или бурной была эволюция Солнечной системы в ее ранние дни».

Пояс Койпера — это тороидальная область Солнечной системы, содержащая планетезимали и более мелкие тела, оставшиеся от формирования Солнечной системы. Он начинается примерно на орбите Нептуна, которая в среднем находится в 30 астрономических единицах (а.е.) от Солнца, и простирается примерно на 55 а.е., наклоненный в пределах 10° к плоскости эклиптики Земли.

Массивнее пояса астероидов в 20–200 раз, он состоит из небольших остатков формирования Солнечной системы — большинство из них — ледяные летучие вещества, состоящие из молекул, таких как метан, аммиак и вода. Внутри него находятся карликовые планеты Плутон, Эрида, Орк и другие. Считается, что существует более 100 000 объектов пояса Койпера диаметром более 100 км.

Объекты пояса Койпера Cold Classical, входящие в подмножество пояса Койпера, представляют собой класс малых тел с невозмущенными орбитами за пределами орбиты Нептуна; эти объекты являются примитивными и сохраняют информацию о формировании Солнечной системы. Они никогда не мигрировали, как Нептун мигрировал от Солнца в течение очень ранней Солнечной системы. В этом регионе находится больше всего сверхшироких двойных (UWB) — почти треть объектов в этом регионе являются двойными, гравитационно связанными с другим объектом, и несколько процентов из них являются сверхширокими двойными (UWB) с диаметрами объектов примерно 100 км, но разделенными десятками тысяч километров.

«Во многих работах прошлого рассматривалась бинарная эволюция, вызванная столкновениями с пролетающими телами», — сказал Кэмпбелл. «В нашей работе изучается эволюция, вызванная гравитационными возмущениями».

Несмотря на свою редкость и подверженность нарушениям, современные сверхширокополосные объекты использовались для ограничения их минимального расстояния от Нептуна в ранней Солнечной системе, а также приблизительного числа транснептуновых объектов (ТНО) размером в километр в современном поясе Койпера.

Однако неявно предполагалось, что архитектура UWB с их широкими интервалами пришла из ранней, изначальной солнечной системы. Но Кэмпбелл и его команда задались вопросом, могли ли изначально существовать тесно связанные бинарные объекты, которые через столкновения с TNO на протяжении эпох потеряли часть своего сцепления друг с другом и, хотя все еще были связаны, их разделение эволюционировало до сверхширокого.

Однако исследования показали , что количество пролетающих или сталкивающихся транснептуновых объектов в современном поясе Койпера слишком мало, чтобы существенно сформировать популяцию сверхшироких космических объектов.

По мере того, как Нептун удалялся от Солнца (с 24 до 30 а.е.), некоторые из этих объектов динамически рассеивались, пока не начали активно взаимодействовать с гигантскими внешними планетами Солнечной системы, после чего они были выброшены из Солнечной системы или захвачены облаком Оорта.

Считается, что около 99–99,9% планетезималей первичного пояса были выброшены из динамического пояса Койпера, объектов, которые сформировались гораздо ближе к Солнцу и переместились на свои нынешние орбиты, когда их вытолкнул Нептун. Поскольку для удаления пострадавшего первичного объекта пояса требуется не менее 10 миллионов лет, Кэмпбелл и его коллеги задались вопросом, может ли включение множества холодных классических пересечений пояса такими возмущенными транснептунными объектами быть существенно выше, чем вытекает из современных наблюдений, которые подвергают двойные объекты более сильным гравитационным возмущениям.

Это действительно то, что обнаружила их симуляция эволюции пояса Койпера. UWB, по-видимому, не являются первичными, поэтому они не могут ограничивать раннюю Солнечную систему, как считалось.

«Наши выводы свидетельствуют о том, что эти возмущения весьма значительны, вплоть до того, что эти широкие двойные системы, вероятно, не смогли бы существовать долго», — сказал Кэмпбелл.

«Но возмущения также способны создавать больше таких широких двойных звезд, медленно раздвигая изначально более тесные и стабильные двойные звезды дальше друг от друга, пока они не станут широкими».

Подвергнув ранние двойные системы четырем миллиардам лет пролетов с разных траекторий транснептуновых объектов, они обнаружили, что «расширение более плотных двойных систем транснептуновых объектов в сверхширокополосные конфигурации не было чем-то необычным в наших симуляциях».

Они подсчитали, что проходы TNO расширят до 10% умеренно плотных двойных в UWB за 4 миллиарда лет существования Солнечной системы. Но этот результат не применим к более плотным двойным.
tighter binaries

«По мере того, как будет обнаружено больше двойных звезд пояса Койпера и мы получим более полное представление о широкой популяции двойных звезд, мы сможем сузить круг ограничений относительно эволюции пояса Койпера и гигантских планет, которые им управляли», — сказал Кэмпбелл.

Поскольку подобные диски KB были замечены в других звездных системах, «если мы узнаем больше о том, как образовалась наша, мы сможем узнать немного больше о том, как образовались те, другие, и сделать некоторые предположения о том, какие еще планеты могут там скрываться, которые просто слишком трудно увидеть иным способом».

Больше информации: Hunter M. Campbell et al, A non-primordial origin for the widest binaries in the Kuiper belt, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02388-4