Die äußeren Gefilde des Sonnensystems sind bisher kaum untersucht, nur wenige Raumsonden sind in diese fernen, jenseits des Neptun und Pluto liegenden Bereiche vorgedrungen. Eine von ihnen ist die NASA-Raumsonde New Horizons, die im Jahr 2019 nach ihrem nahen Vorbeiflug an Pluto und Charon ihr zweites Ziel erreichte: (486958) Arrokoth. Dieser rund 31 Kilometer große Brocken umkreist die Sonne in einer Distanz von knapp sieben Milliarden Kilometern und ist damit Teil der transneptunischen Objekte, die das Sonnensystem jenseits des Planeten Neptun bevölkern. Der sich außen an diese Zone anschließende Kuipergürtel und seine größtenteils eisreichen Himmelskörper gelten als Hauptquelle der Kometen und als Reservoir von Planetesimalen – Planetenbausteinen aus der Anfangszeit des Sonnensystems. Als New Horizons im Januar 2019 in nur 3.000 Kilometer Entfernung an Arrokkoth vorbeiflog, enthüllten ihre Aufnahmen Überraschendes: Der Brocken war zweiteilig und ähnelte einem Schneemann.
Wie entstehen die Doppelbrocken?
Nähere Analysen der Daten ergaben, dass die beiden Teile kaum Krater aufweisen und chemisch weitgehend identisch sind. „Aus diesen Beobachtungen lässt sich schließen, dass diese Hälften einen gemeinsamen Ursprung haben und unter milden Bedingungen ohne signifikante Deformationen gebildet wurden“, erklären Jackson Barnes von der Michigan State University und seine Kollegen. Aufgrund der geringen Verformung der beiden kugeligen Teile und ihres dünnen „Halses“ stufen Astronomen Arrokoth und auch Doppelkometen wie 67P/Churyumov-Gerasimenko als mögliche Contact Binaries ein – Objekte, die durch eine sanfte, langsame Kollision zweier Ursprungsbrocken gebildet wurden. Solche Doppelobjekte sind unter den transneptunischen Himmelskörpern vermutlich keine Ausnahme: „Es wird geschätzt, dass Kontakt-Doppelsysteme 40 bis 50 Prozent der Plutino-Population ausmachen, im ungestörten und dynamisch kalten klassischen Kuipergürtel könnten es zehn bis 25 Prozent sein“, schreiben Barnes und sein Team.
Doch wie kommen solche Doppelkörper zustande? Theoretisch könnten einige Schneemann- und Gummienten-Formen solcher Brocken durch Erosion am „Hals“ dieser Objekte entstanden sein. Dem widersprechen jedoch Analysen des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, dessen beide Hälften klar getrennte Schichten zeigen, auch die schwerkraftbedingte Ausrichtung von Brocken an der Oberfläche der beiden Kugeln deutet darauf hin, dass diese beiden Teile ursprünglich getrennt gewesen sein müssen. Das wirft die Frage auf, unter welchen Umstünden sich zwei einzelne, aber chemisch sehr ähnliche Himmelskörper so nahekommen, dass sie sanft miteinander verkleben können. Barnes und sein Team haben nun ein mögliches Szenario genauer untersucht.
Ihre Vermutung: Contact Binaries sind das Ergebnis eines gravitativen Kollapses einer Bröckchenwolke im frühen Sonnensystem. Dabei fallen diese Wolken aus millimetergroßen Kieseln durch ihre eigene Schwerkraft und Turbulenzen in sich zusammen. Dabei werden die kleinen Bröckchen direkt zu kilometergroßen Planetesimalen komprimiert. In vielen Fällen entsteht bei einem solchen Kollaps nicht nur ein zentrales Planetesimal, sondern zwei oder mehrere sich eng umkreisende Brocken, wie die Forscher erklären.
Gravitativer Kollaps auf dem Prüfstand
Ob in diesem Szenario auch „verklebte“ Doppelbrocken wie Arrokoth entstehen können, untersuchten Barnes und sein Team mithilfe einer Modellsimulation. Frühere Computermodelle haben den gravitativen Kollaps meist mithilfe von virtuellen Flüssigkeiten nachgebildet, weil der Rechenaufwand für die Simulation aller Bröckchen zu hoch wäre. „Eine solche Kieselwolke enthielt wahrscheinlich eine Quadrillion Teilchen“, erklären die Forscher. Für ihre Simulation fassten sie diese Teilchen zu hunderttausend größeren Einheiten zusammen, deren Bewegungen und Kollisionen sie im Modell nachvollzogen. Das Ergebnis: Durch den Kollaps der Bröckchenwolke entstanden im Schnitt 834 Planetesimale, darunter 29 Kontakt-Doppelkörper. „Alle identifizierten Kontakt-Doppelkörper entstanden ursprünglich aus zwei separat kompaktierten Objekten. Diese Objekte kollidierten miteinander, nachdem sie zunächst als gravitativ gebundenes Doppel-System existierten“, berichten Barnes und sein Team. Diese Kollision der beiden ursprünglich einzelnen Planetesimale geschieht sehr sanft, mit nur 0,4 bis 5,8 Meter pro Sekunde – und damit unterhalb der Schwelle, bis zu der solche verklebten, kaum verformten Contact Binaries entstehen können, wie die Simulationen zeigten.
Nach Ansicht der Forscher stützen ihre Ergebnisse die Hypothese, nach der Arrokoth und zumindest einige weitere Doppelobjekte im Kuipergürtel durch den gravitativen Kollaps von Bröckchenwolken im frühen Sonnensystem gebildet wurden. „Wir konnten diese Hypothese jetzt zum ersten Mal richtig testen“, sagte Barnes. Die Forscher betonen aber auch, dass dieses Bildungsszenario sicher nicht für alle Doppel-Himmelskörper gilt. So können beispielsweise Doppelasteroiden auch unter anderem Umständen sanft kollidiert sein.
Quelle: Jackson Barnes (Michigan State University, East Lansing) et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, doi: 10.1093/mnras/stag002)
