La nascita di un “pupazzo di neve” ai margini del sistema solare


Un modello sviluppato presso la Facoltà di Fisica del Technion, in collaborazione con gli scienziati tedeschi di Tubinga, spiega le proprietà uniche di Arrokoth, l’oggetto più lontano mai osservato nel sistema solare. I risultati del team di ricerca gettano nuova luce sulla formazione degli oggetti della cintura di Kuiper, oggetti simili ad asteroidi ai margini del sistema solare, e per la comprensione delle prime fasi della formazione del sistema solare.


I risultati, pubblicati su Nature, spiegano le caratteristiche uniche del “pupazzo di neve”, noto formalmente come Arrokoth, e le foto di esso sono state scattate per la prima volta l’anno scorso dalla missione spaziale New Horizons della NASA.

La storia inizia nel 2006 quando la navicella spaziale robotizzata New Horizons è stata inviata per scattare le prime immagini ravvicinate di Plutone e per studiarne le caratteristiche e il terreno. Dopo il lancio, New Horizons ha fissato la sua traiettoria verso Plutone, iniziando un lungo viaggio di circa nove anni. Per non sprecare carburante e risorse, la maggior parte dei suoi sistemi era in modalità sleep mode fino a quando non si è avvicinata al suo obiettivo Plutone.

L’Unione Astronomica Internazionale nel frattempo ha deciso di retrocedere Plutone dal suo status di pianeta a quello di pianeta nano. In breve, la navicella spaziale robotica New Horizons è stata inviata a investigare un pianeta, si è addormentata e si è svegliata per scoprire che Plutone non era più considerato un pianeta. Ma questo non toglieva importanza alla missione. New Horizons ha fornito immagini spettacolari di Plutone e della sua luna Caronte, e ha fornito informazioni scientifiche inestimabili che ora sono ancora in fase di indagine, e che probabilmente saranno studiate per anni. Questi studi forniranno importanti input per la comprensione della formazione del sistema solare, e in particolare della Cintura di Kuiper.

Ma c’è ancora molto di più nell’avventura di New Horizons. Anche se Plutone è l’oggetto più grande nella parte più lontana del sistema solare, non è l’unico. Al di là di Nettuno c’è una regione chiamata la Cintura di Kuiper, costituita da innumerevoli oggetti simili ad asteroidi di dimensioni che vanno da pochi metri a migliaia di chilometri. Le condizioni in quest’area sono diverse (e in particolare, molto più fredde), rispetto alla cintura di asteroidi “sorella” nel sistema solare interno, e gli oggetti della Cintura di Kuiper sono tipicamente costituiti da materiali molto più ghiacciati.

La navicella New Horizon era dotata di risorse sufficienti per osservare un altro oggetto della Cintura di Kuiper se tale oggetto fosse stato trovato non troppo lontano dalla traiettoria originale della navicella. Il 26 giugno 2014, dopo un’ampia indagine alla ricerca di tali oggetti, il telescopio spaziale Hubble ne ha individuato uno. In seguito a tale identificazione, il team di ricerca di New Horizons ha progettato la traiettoria della navicella spaziale in modo che passasse accanto all’oggetto appena trovato dopo aver completato la sua missione di mappatura di Plutone. Cinque anni dopo (e quattro dopo l’incontro con Plutone nel 2015), New Horizons è passato accanto all’oggetto. Il 1° gennaio 2019, l’umanità ha visto la prima foto ravvicinata di un piccolo oggetto della cintura di Kuiper, mentre la navicella New Horizons le passava a soli 5600 chilometri di distanza.

Subito dopo l’arrivo delle sue prime immagini, l’oggetto Kuiper Belt (finora noto come MU69 2014) è stato soprannominato “il pupazzo di neve” per il suo aspetto unico. I ricercatori di New Horizons lo chiamarono inizialmente Ultima Thule in latino, per la sua posizione remota ai margini del sistema solare. Ma alla fine l’oggetto fu ribattezzato 486958 Arrokoth, per “cielo” o “nuvola” nell’ormai estinta lingua nativa americana Powhatan.

New Horizons ha raccolto una grande quantità di informazioni sul pupazzo di neve: si tratta di un oggetto binario di contatto di 30 chilometri che consiste di due lobi di dimensioni diverse interconnessi da un collo sottile, che sembra essere il prodotto di due oggetti più piccoli della Kuiper Belt che si sono scontrati a formare Arrokoth.

Immagine che mostra i risultati delle simulazioni dettagliate dei ricercatori di Technion sulla collisione degli oggetti della cintura di Kuiper che hanno formato Arrokoth.

Sebbene siano stati proposti vari modelli per spiegare la formazione di Arrokoth e le sue proprietà peculiari, questi hanno incontrato grandi difficoltà, e non potevano spiegare bene le caratteristiche importanti del pupazzo di neve, in particolare la sua lenta velocità di rotazione intorno a se stesso e il suo grande angolo di inclinazione. Nel loro articolo su Nature, i ricercatori della Technion presentano nuovi calcoli analitici e simulazioni dettagliate che spiegano la formazione e le caratteristiche di Arrokoth.

La ricerca è stata condotta dal dottor Evgeni Grishin, dal dottor Uri Malamud e dal loro supervisore, il professor Hagai Perets, in collaborazione con il gruppo di ricerca tedesco di Tubinga.

“Una semplice collisione ad alta velocità tra due oggetti casuali nella Cintura di Kuiper li frantumerebbe, dato che probabilmente sono fatti prevalentemente di ghiaccio molle”, ha detto il signor Grishin. “D’altra parte, se i due corpi orbitassero l’uno intorno all’altro in un’orbita circolare (simile alla luna che orbita intorno alla Terra), e poi lentamente viaggiassero in spirale avvicinandosi più dolcemente l’uno all’altro ed entrare in contatto, la velocità di rotazione di Arrokoth sarebbe stata estremamente elevata, mentre la velocità misurata era in realtà piuttosto bassa rispetto a tali aspettative. La rotazione completa di Arrokoth richiede 15,92 ore. Inoltre, il suo angolo di inclinazione (rispetto al piano della sua orbita intorno al sole) è molto grande – 98 gradi – quindi si trova quasi di lato rispetto alla sua orbita, una caratteristica peculiare in sé”.

“Secondo il nostro modello, questi due corpi ruotano l’uno intorno all’altro, ma poiché ruotano insieme intorno al sole, essi costituiscono fondamentalmente un sistema triplo”, ha detto. “Le dinamiche di tali sistemi tripli sono complesse e sono note come il problema dei tre corpi. La dinamica dei sistemi tripli gravitanti è nota per essere molto caotica. Nel nostro studio abbiamo dimostrato che il sistema non si muoveva in modo semplice e ordinato, ma non si comportava in modo totalmente caotico”.

“Si è evoluto da un’orbita ampia, relativamente circolare, in un’orbita altamente eccentrica, ellittica, attraverso un’evoluzione lenta (secolare), molto più lenta rispetto al periodo orbitale di Arrokoth intorno al sole”, ha detto il Prof. Perets. “Potremmo dimostrare che tali traiettorie alla fine portano ad una collisione, che, da un lato, sarà lenta, e non distruggerà gli oggetti, ma, dall’altro, produrrà un oggetto che ruota lentamente, altamente inclinato, coerente con le proprietà di Arrokoth”.

Risultati aggiuntivi dei modelli di collisione. a), angolo di impatto 40° , materiale di media resistenza. b), angolo di impatto di 40° , materiale a bassa resistenza. (c)-(d), modello a bassa densità 0,5 g cm-3 con angolo di impatto di 55° e materiale di media resistenza. (c), Vista dal bordo. (d), Vista frontale.

“Le nostre simulazioni dettagliate hanno confermato questa immagine, e hanno prodotto modelli molto simili all’aspetto, alla rotazione e all’inclinazione del pupazzo di neve di Arrokoth”, ha detto il Dr. Malamud, in conclusione.

I ricercatori hanno anche studiato quanto siano robusti e probabili tali processi, e li hanno trovati potenzialmente abbastanza comuni con ben il 20% di tutti i binari della cintura Kuiper Belt, e potenzialmente in evoluzione in modi simili.

Fino ad ora, hanno detto i ricercatori, non è stato possibile spiegare le caratteristiche uniche di Arrokoth. Si tratta di un risultato controintuitivo, ma la probabilità di collisione in tali configurazioni aumenta effettivamente in quanto il binario iniziale è più ampiamente separato (ma ancora legato) e l’angolo di inclinazione iniziale è più vicino a 90 gradi.

“Il nostro modello spiega sia l’alta probabilità di collisione che i dati unici del sistema unificato oggi, e di fatto prevede che molti più oggetti nella Cintura di Kuiper”, ha detto il signor Grishin. “In effetti, anche il sistema di Plutone e quello di Caronte potrebbero essersi formati attraverso un processo simile, e sembrano giocare un ruolo importante nell’evoluzione dei sistemi binari e lunari nel sistema solare.

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