Portrait eines Außenseiters

Platt seit der Jugend

Die seltsame Abplattung von Arrokoth ist beispiellos unter den bekannten Körpern des Sonnensystems. Zunächst war unklar, ob der Sonderling bereits von Anfang an so aussah. Im Oktober 2020 mutmaßten dann Forscher des Göttinger Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung, des Planetary Science Institutes in Tucson, Arizona, und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften aufgrund von Simulationsrechnungen, dass Arrokoth seine aktuelle Gestalt bereits seit seiner frühen Jugend hat. Verantwortlich dafür sei das Verdunsten der flüchtigen Gase aus seinem Inneren.

„Wir stellen uns den Kuiper-Gürtel gerne als Region vor, in der die Zeit seit der Geburt des Sonnensystems weitgehend stillstand“, sagt der Max-Planck-Forscher und Koautor Ladislav Rezac. Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt sollen die Mitglieder des Gürtels quasi tiefgekühlt unverändert überdauert haben – so die gängige Auffassung. Doch die Porträts von Arrokoth stellen dies nun infrage, vor allem wegen der sonderbar abgeplatteten Form.

Ursprünglich hatte Arrokoth wohl eine gewöhnlichere Gestalt: Er war ein zusammengesetztes Gebilde aus einem fast kugelförmigen und einem nur leicht abgeflachten Körper. Als sich der Staub im solaren Urnebel gelichtet hatte, stiegen mit der stärkeren Sonneneinstrahlung auch fernab der Sonne die Temperaturen. Die Folge: Die gefrorenen flüchtigen Stoffe sublimierten – sie gingen direkt vom eisförmigen in den gasförmigen Zustand über und entwichen rasch ins All. Anders als Pluto ist Arrokoth zu massearm, um mit seiner geringen Schwerkraft eine Gashülle festzuhalten.

Aufgeheizte Polregionen

Rezac zufolge war die besondere Ausrichtung von Arrokoths Rotationsachse für die Formgebung entscheidend. Denn sie liegt mit einer Neigung von 99 Grad annähernd in der Ebene der Umlaufbahn. Das wiederum bewirkt, dass während des fast 300 Jahre dauernden Laufs um die Sonne eine Polarregion in der Hälfte der Zeit fast permanent zur Sonne hin gerichtet ist. Der gegenüberliegende Pol ist währenddessen von der Sonne abgewandt.

In der anderen Hälfte des Orbits ist es umgekehrt. In der Nähe des Äquators ist die Oberfläche im gesamten Arrokoth-Jahr dem tageszeitlichen Wechsel ausgesetzt, wobei die Tageslänge 15,9 Stunden beträgt. „Dadurch heizen sich die Pole am stärksten auf, und gefrorene Gase entweichen von dort am effizientesten. Das führt zu einem starken Massenverlust“, erläutert Yuhui Zhao von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Nanjing.

Der Prozess der Abplattung dauerte höchstens 100 Millionen Jahre. Danach dürfte der Vorrat flüchtiger Stoffe in den oberflächennahen Schichten erschöpft gewesen sein. Wie viele weitere abgeplattete Körper im Kuiper-Gürtel existieren, ist unbekannt. Die Forscher gehen davon aus, dass solche Abplattungen häufig sind. Sicher ist, dass viele Artgenossen von Arrokoth ebenfalls rötlich gefärbt sind – wahrscheinlich verursacht durch komplexe Makromoleküle auf der Oberfläche. Diese können sich bilden, wenn die Kosmische Strahlung auf einfachere organische Moleküle trifft.

Sanft zusammengekommen

Auffällig ist: Auf der Oberfläche gibt es nur wenige Krater. Einer davon, der sieben Kilometer große Maryland, geht wahrscheinlich auf einen Einschlag zurück. 40 kleinere Mulden könnten ebenfalls von Impakten stammen, doch nur bei 10 davon sind sich die Forscher einigermaßen sicher, dass es wirklich Krater sind. Die vergleichsweise geringe Dichte an Kratern steht aber nicht im Widerspruch zu einem Alter von mehr als vier Milliarden Jahren, schreiben die Wissenschaftler.

„So wie Fossilien erzählen, wie sich die Arten auf der Erde entwickelt haben, berichten Planetesimale, wie sich Planeten im Weltall formten“, zieht New-Horizons-Forscher William McKinnon von der Washington University in St. Louis, Missouri, einen Vergleich. Insbesondere belege die Gestalt von Arrokoth, dass sich seine Bestandteile einst in einem komplizierten Tanz langsam umkreisten, bevor sie relativ sanft zusammenkamen – mit einer Geschwindigkeit von fünf Metern pro Sekunde oder weniger.

Die einheitliche Farbe und die gleichförmige Zusammensetzung seiner Oberfläche legen nahe, dass Arrokoth aus benachbartem Material des solaren Urnebels zusammengebacken wurde. Doch wie konnte sich aus eisigen Staubkörnern ein Brocken bilden, der die Ausmaße einer Großstadt übertrifft? Manche Modelle zur Entstehung der Planetesimale gehen von einem kollektiven Kollaps vieler kleiner Körper aus. Diese Vorstellungen sieht Alan Stern vom Southwest Research Institute in Colorado nun bestätigt.

Laut dem Chefwissenschaftler von New Horizons sprechen alle Befunde der Mission dafür, dass Arrokoth vor seiner Geburt eine Wolke aus kieselgroßen Eis-Staub-Brocken war, die dann kollabierte. Und Stern vermutet, dass alle Planetesimale auf diese Art entstanden sind.

Nicht belegt ist hingegen die Idee, dass die Planetesimale einst durch eine sogenannte hierarchische Akkretion herangewachsen sind. Dieser Prozess setzt im Lauf der Zeit immer heftigere Kollisionen voraus, die insgesamt mehr zur Zerstörung als zum Wachstum der Körper geführt hätten. „Ein Objekt, das aussieht wie Arrokoth, hätte sich in einer chaotischeren Akkretionsumgebung nicht gebildet“, sagt Will Grundy vom Lowell Observatory in Arizona.

Diese Auffassung teilt der Max-Planck-Astronom Hubert Klahr, der an der Mission nicht beteiligt war. Der Heidelberger ist Experte für die Theorie der Planetenbildung. In einer Studie vom September 2020 hat er gezeigt, dass sich in dem turbulenten solaren Urnebel Gebiete ausbilden konnten, in denen die Konzentration von Eis-Staub-Brocken lokal erhöht war. Erreichten diese einen kritischen Wert, so führte die Schwerkraft der Materiewolke zu einem spontanen Kollaps, der mit der Entstehung eines Urkörpers von bis zu 100 Kilometer Durchmesser endete.

„Sowohl die Fotos von Arrokoth als auch unsere Berechnungen belegen, dass Planetesimale bereits recht groß auf die Welt kommen“, ist Hubert Klahr überzeugt. Das ist eine wichtige Erkenntnis zur Klärung der komplexen Prozesse bei der Geburt von Planeten.

Ein letzter Vorbeiflug?

Inzwischen ist New Horizons über 7,5 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt – also rund 50 Mal so weit wie die Erde – und rast mit einer relativen Geschwindigkeit von 13,9 Kilometern pro Sekunde unaufhörlich weiter ins All hinaus. Die Begegnungen mit Pluto und Arrokoth waren eindrucksvolle Erfolge für die Planetenforschung. Genügt der verbleibende Treibstoff, um ein weiteres Kuiper-Objekt ansteuern?

„Wir haben ungefähr so viel Treibstoff übrig, wie wir für die Begegnung mit Arrokoth gebraucht haben“, sagt Alan Stern. Allerdings müsse erst ein weiteres Zielobjekt gefunden werden. „Wir suchen danach seit einem Jahr – und bei Arrokoth hat das vier Jahre gedauert.“ Ein weiteres Rendezvous wäre von großem Gewinn, denn bis eine neue Sonde in den Kuiper-Gürtel vordringt, werden mindestens einige Jahrzehnte vergehen.