Плутон и Харон могли образоваться иначе, чем предполагалось ранее
Мы придерживались мнения, что в результате столкновения, после которого образовались Плутон и Харон, был полностью уничтожен объект, вызвавший столкновение и возникло два совершенно новых космических объекта из двух предыдущих. Но новые расчеты, недавно опубликованные в Nature Geoscience Адиной Дентон (Southwest Research Institute) и ее коллегами, показывают, что столкновение было гораздо мягким. На самом деле Плутон и Харон, возможно, были достаточно устойчивы и сохранили свои первоначальные особенности характеристик после столкновения.
Плутон и Харон по сравнению с Землёй и Луной
С середины 1970-х годов стало ясно, как образовались Земля и Луна: в сценарии «гигантского удара» большой астероид врезался под углом в расплавленную прото-Землю, выплеснув расплавленный материал, в основном из мантии, на орбиту, которая в конечном итоге образовала современную Луну.
Как и пара Земля-Луна, Плутон и Харон вращаются слишком быстро, чтобы просто сформироваться такими, какие они есть. А Харон слишком велик для того, чтобы гравитация Плутона могла захватить его на свою орбиту. Казалось само собой разумеющимся, что механизм, который сформировал Землю и Луну, мог бы объяснить и возникновение пары Плутон и Харон и также образование других крупных двойных систем в Солнечной системе.
В действительности смоделированное геофизиками на компьютере столкновение смоделированных расплавленных прототел подтвердило образование Плутона и Харона, но только около трети массы прото-Харона смогла пережить столкновение: остальное разбрызгалось во всех направлениях, покинув систему. Надо ли говорить, что только треть ранее расплавленного Харона имела бы мало сходства с исходным Хароном.
Работая с Эриком Асфаугом в Институте Луны и планет (Lunar and Planetary Institute) Дентон и её коллега пост докторант Александр Эмзенхубер обнаружили, что способ формирования Плутона и Харона, возможно, отличается от способа формирования Земли и Луны.
Вопрос заключается в физическом состоянии объектов до и во время удара. Земля должна была быть довольно горячей во время гигантского удара — достаточно горячей, чтобы большая часть ее недр была расплавлена больше, чем сегодня. А большая энергия столкновения расплавила или даже испарила огромный кусок внешней части планеты. Поскольку материал был расплавлен, специалисты по компьютерному моделированию сделали напрашивающиеся выводы, что отдельные фрагменты материала, выброшенного из зоны столкновения, не соединились в единое. С физической точки зрения выбросы, возникшие при ударе, не имели достаточного сцепления.
Однако нет никаких оснований предполагать, что малые тела за пределами Нептуна изначально были расплавленными, хотя многие из более крупных могли со временем образовывать (и также терять) горячие подземные океаны. Они должны были сформироваться довольно холодными, с толстой и твёрдой прочной корой.
Вдобавок ко всему столкновения между телами во внешней Солнечной системе происходят на гораздо более низких скоростях, чем в окрестностях Земли. Пролет New Horizons над снеговиком Аррокот показал, что небольшие транс нептуновые объекты образовывались плавно, посредством низкоскоростных столкновений более мелких компонентов. Эти части слипались, почти не меняя своей формы.
Таким образом исследователи задались вопросом, что произойдет, если при компьютерном моделировании будет создано косое столкновение двух больших тел как двух холодных тел из твердого материала, а не как жидких сфер?
Поцелуй и захват
Работа под руководством Эмзенхубера, опубликованная в 2024 году показала, что столкновения с объектами, масса которых составляет более нескольких процентов от массы Земли, можно рассматривать как жидкие — даже если оба тела изначально были твердыми — из-за огромной вовлеченной энергии при столкновении. Но всё кардинально менялось при меньших массах. Для объекта размером с Плутон, масса которого составляет 0,2% от массы Земли, прочность объекта была очень важна.
В новом исследовании, проведенном Дентон, рассматривалось, как включение физики прочности материалов повлияло на формирование системы Плутон-Харон. «Когда мы предположили, что Плутон и Харон ведут себя как геологически твёрдые тела, а не как жидкости, все поменялось», — говорит она. «Плутон и Харон на минуту образуют нечто вроде супер Аррокота».
Другими словами, при ударе два тела сталкиваются, слегка отскакиваются друг от друга, а затем снова притягиваются. В конце концов они слипаются как два снежных кома в контактной двойной системе типа Аррокот.
Что произойдёт дальше в моделировании зависит от вращения прото-Плутона: если он вращается относительно медленно, то два тела остаются слипшимися вместе, но достаточно быстрое вращение может снова разорвать слившиеся тела.
Этот новый сценарий, который Дентон и её коллеги характеризуют как «поцелуй и захват», показывает, какая часть от прото-Харона осталась на орбите вокруг Плутона и то, что ядра исходных тел остались неизменёнными во вновь образовавшейся системе. В то время как на поверхностях обоих тел остались следы столкновения, Плутон и Харон сохранили все основные особенности своих химических составов.
Новый сценарий объясняет загадку современного геологического облика Плутона. Дентон объясняет, что более ранние работы предполагали, что Плутон должен был сформироваться горячим после столкновения. Но в этом случае “его поверхность должна была быть покрыта отличительными от существующих особенностями, которых мы не наблюдаем”. При поцелуе и захвате Плутон остался холодным и твердым и последовавшие после столкновения изменения не повлияли на его первоначальные характеристики.
«Тепла от удара, с последующим приливным нагревом по мере того, как Харон двигался бы наружу (по своей орбите вокруг Плутона), которое также должно было бы создать дополнительный разогрев, у Плутона не было», что и предопределило современную геологическую картину планеты.
Не все столкновения приводят к поцелую и захвату, такое происходит только в некоторых случаях. Столкновения, которые происходят под большим углом между траекториями двух тел приводят к сценариям «удара и бегства» без захвата орбиты. Небольшие углы удара и/или также низкие скорости вращения могут объединить два тела в один. И, как продемонстрировали исследования, правильная комбинация угла столкновения и умеренная скорость вращения создали не только систему Плутон-Харон, но и другие крупные внешние двойные системы Солнечной системы, такие как Эрида-Дисномия и Оркус-Вант.
Какие ещё интересные геологические особенности можно было бы обнаружить, если посетить Эриду и Оркус? Существует только один способ узнать это…
R. Schaffert
Источник: Pluto and Charon May Have Formed in a “Kiss-and-Capture”