W ostatnich latach odkryto ponad 500 obiektów krążących w Pasie Kuipera, potężnym pierścieniu znajdującym się na krańcach Układu Słonecznego, poza orbitą Neptuna. Siedem spośród nich okazało się być układami podwójnymi. Niespodzianka było to, że wszystkie te układy zdają się być złożone z obiektów o podobnych rozmiarach znajdujących się dość daleko od siebie. Jest to wynik nieoczekiwany, gdyż większość znanych par w naszym systemie planetarnym (na przykład układ Ziemia-Księżyc) składa się ze stosunkowo blisko siebie położonych obiektów znacznie różniących się rozmiarami.

Aby wyjaśnić ten fakt uczeni z California Institute of Technology stworzyli teorię powstawania układów podwójnych w Pasie Kuipera. Ich praca została opublikowana w Nature z 12 grudnia.

Jak stwierdził Re’em Sari z CALTECHu, współautor pracy, teoria zostanie sprawdzano w najbliższym czasie, gdy dalsze obserwacje obiektów w Pasie doprowadzą do odkrycia kolejnych układów podwójnych.

Pozostałymi autorami badań są Peter Goldreich także z CALTECHu i Yoram Lithwick z Uniwersytetu Berkeley.

Układy podwójne złożone z obiektów położonych blisko siebie, jak para Ziemia-Księżyc, powstały na skutek kolizji, która wyrzuciła w przestrzeń materię” – stwierdził Sari. “Materia połączyła się tworząc mniejszy obiekt. Późniejsze oddziaływania pomiędzy ruchem obrotowym większego ciała i orbitą mniejszego doprowadziły do jego stopniowego oddalenia się“.

Ten mechanizm nie działa w przypadku układów podwójnych w Pasie Kupiera. Są one zbyt daleko od siebie, aby tym oddziaływaniem wyjaśnić oddalenie się“. Członkowie układów podwójnych mają średnicę rzędu 100 kilometrów i znajdują się 10 do 100 tysięcy kilometrów od siebie. Odległości są wiec 100 do 1000 razy większe niż ich rozmiary. Dla porównania – odległość Ziemia-Księżyc (około 400 tysięcy kilometrów) jest około 60 razy większa niż promień Ziemi. Nawet w tej odległości przypływowy mechanizm zwiększania odległości działa tylko dlatego, że Księżyc ma masę znacznie mniejszą niż Ziemia.

Sari i jego koledzy uważają, że obiekty w Pasie Kuipera mają tendencję do stopniowego zbliżania się do siebie. Ma tu miejsce sytuacja odwrotna niż w układzie Ziemia-Księżyc. “System Ziemia-Księżyc ewoluuje “na zewnątrz”, podczas gdy układy podwójne w Paie Kuipera – “do wewnątrz”” – wyjaśnił Sari.

Uważa się, że obiekty Pasa Kuipera powstały we wczesnym Układzie Słonecznym na skutek akrecji i łączenia się mniejszych obiektów. Obszar gdzie grawitacyjne przyciąganie ciała przeważa nad pływowymi siłami pochodzącymi od Słońca nazywany jest sferą Hilla. Dla 100-kilometrowego ciała znajdującego się w omawianej części systemu planetarnego ma ona promień około miliona kilometrów. Duże ciała niebieskie mogą przypadkowo przejść przez sferę Hilla innego obiektu. Takie spotkanie trwa kilkaset lat i, jeśli nie zadziałają inne procesy, przejściowy układ podwójny rozpada się, a ciała kontynuują swoją drogę po różnych orbitach. Aby związać się na stałe, przejściowy układ podwójny musi w jakiś sposób stracić energię. Uczeni oszacowali, że raz na 300 spotkań, trzecie ciało absorbuje część energii i pozwala na powstanie układu trwale związanego. Dodatkowym mechanizmem utraty energii jest oddziaływanie z mnóstwem małych ciał ściągniętych przez oddziaływanie większego. Oba te oddziaływania spowalniają większe ciało.

Związany układ podwójny rozpoczyna życie rozdzielony o około milion kilometrów. Nadal jednak oddziałuje z mnóstwem mniejszych ciał, co prowadzi do dalszej utraty energii i zawężania się pary. Prowadzi to ostatecznie do zetknięcia się obiektów. Uczeni oszacowali, że większość par w Pasie Kuipera zdążyła od swojego powstania połączyć się lub przynajmniej znacznie się do siebie zbliżyć. Jeśli para powstałą bardzo późno – układ mógł przetrwać aż do dzisiaj. Mechanizm przewiduje, że około 5 procent par mogło pozostać w na tyle dużej odległości by być obserwowanymi jako podwójne. Przewidywanie to jest zgodne z badaniami przeprowadzonymi przez Mike’a Browna z CALTECHu. Większość obiektów znajduje się tak blisko siebie, że nie może być z Ziemi rozdzielona za pomocą istniejących instrumentów.

Nowe pomysły będą zweryfikowane gdy odkryte zostaną dalsze układy podwójne. Dalsze badania będą się starać wyjaśnić w jaki sposób ewoluuje nachylenie orbity układu podwójnego planetoid do płaszczyzny Układu Słonecznego. Jeśli zwiększa się ono, będzie to sygnałem, że również układ Pluton-Charon powstał w ten sposób i będzie to wyjaśniać duże nachylenie orbity tego księżyca.

Autor

Michał Matraszek