New Horizons erforscht Pluto und lüftet das Geheimnis der Geburt des „Weltraum-Schneemanns“ im Kuipergürtel

Die neuen Forschungsergebnisse liefern neue Hinweise zur Entstehung der Kuipergürtel-Objekte – asteroidenähnliche Körper am Rande des Sonnensystems – und helfen, die frühen Stadien der Entstehung des Sonnensystems zu verstehen. Dabei handelt es sich um die am weitesten entfernten Objekte, die jemals im Sonnensystem fotografiert wurden. Neue Forschungsergebnisse, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, erklären die einzigartigen Merkmale von Arrokoth, einem Objekt, das letztes Jahr erstmals von der Weltraummission New Horizons der NASA fotografiert wurde. Die Geschichte beginnt im Jahr 2006, als die Raumsonde New Horizons losgeschickt wurde, um die ersten Nahaufnahmen von Pluto zu machen und seine Merkmale und Topographie zu untersuchen.

Nach dem Start sicherte New Horizons seine Umlaufbahn um Pluto und begann eine neunjährige Reise. Um weder Treibstoff noch Ressourcen zu verschwenden, wurden die meisten seiner Systeme in den Ruhezustand versetzt, bis er sich seinem Ziel Pluto näherte. Ebenfalls im Jahr 2006 beschloss die Internationale Astronomische Union, Pluto vom Planetenstatus auf den Zwergplaneten herabzustufen. Kurz gesagt: Die Raumsonde New Horizons wurde ausgesandt, um einen Planeten zu erforschen, schlief ein und erwachte mit der Feststellung, dass Pluto, einst einer der neun Planeten im Sonnensystem, nicht länger als Planet gilt.

Reise zum Pluto

Dies schmälert jedoch nicht die Bedeutung der Mission, die spektakuläre Bilder von Pluto und seinem Mond Charon lieferte und wertvolle wissenschaftliche Informationen lieferte, die noch immer und wahrscheinlich noch jahrelang untersucht werden. Diese Studien werden wichtige Informationen zum Verständnis der Entstehung des Sonnensystems, insbesondere der Entstehung des Kuipergürtels, liefern. Doch das Abenteuer von New Horizons hat noch mehr zu bieten, und obwohl Pluto das größte und am weitesten entfernte Objekt im Sonnensystem ist, ist er nicht das einzige. Jenseits von Neptun liegt eine Region namens Kuipergürtel, die aus zahllosen asteroidenähnlichen Objekten besteht, deren Durchmesser von einigen Metern bis zu Tausenden von Kilometern reichen.

Die Bedingungen in dieser Region sind anders (vor allem viel kälter) als in ihrem „Schwester“-Asteroidengürtel im inneren Sonnensystem, und die Objekte des Kuipergürtels bestehen typischerweise aus mehr eisigem Material. Die Raumsonde New Horizons ist mit ausreichend Ressourcen ausgestattet, um ein weiteres Objekt des Kuipergürtels zu beobachten, sofern ein solches Objekt gefunden werden kann und sich nicht zu weit von der ursprünglichen Umlaufbahn der Raumsonde entfernt befindet. Am 26. Juni 2014 entdeckte das Hubble-Weltraumteleskop eines dieser Objekte, nachdem es umfangreiche Beobachtungen dieser Art von Objekten durchgeführt hatte. Nach dieser Bestätigung entwarf das New-Horizons-Team die Flugbahn der Raumsonde so, dass sie nach Abschluss ihrer Mission zur Kartierung von Pluto neben dem neu entdeckten Objekt vorbeifliegen würde.

Entdeckungsreise

Fünf Jahre später (und vier Jahre nach der Begegnung mit Pluto im Jahr 2015) passierte die Raumsonde New Horizons das Objekt, und am 1. Januar 2019 fotografierte die Raumsonde New Horizons das kleine Objekt des Kuipergürtels zum ersten Mal aus nächster Nähe, als es in einer Entfernung von 3.500 Meilen vorbeiflog. Nachdem die ersten Bilder eintrafen, erhielt das Objekt des Kuipergürtels mit der Bezeichnung 2014-69 aufgrund seines einzigartigen Aussehens den Spitznamen „Der Schneemann“. Die Forscher von New Horizons nannten ihn ursprünglich Ultima Thule (lateinisch für „Rand der Welt“) wegen seiner abgelegenen Lage am Rand des Sonnensystems.

Doch das Objekt wurde schließlich in Arrokoth 486958 umbenannt, was in der heute ausgestorbenen Sprache der amerikanischen Ureinwohner Powhatan „Himmel“ oder „Wolke“ bedeutet. New Horizons hat eine Fülle von Informationen über Yeti gesammelt: Es handelt sich um einen 30 Kilometer langen Kontaktdoppelstern, der aus zwei Lappen unterschiedlicher Größe besteht, die durch einen dünnen Hals miteinander verbunden sind, und scheint das Produkt der Kollision zweier kleinerer Objekte des Kuipergürtels zu sein, bei der Arrokoth entstand. Obwohl verschiedene Modelle zur Erklärung der Entstehung von Arrokoth und seiner besonderen Eigenschaften vorgeschlagen wurden, sind diese Modelle auf große Herausforderungen gestoßen und können die wichtigen Merkmale des Yeti, insbesondere seine langsame Rotationsgeschwindigkeit und seine große Neigung, nicht gut erklären.

Die Forscher präsentieren neuartige analytische Berechnungen und detaillierte Simulationen, die die Entstehung und Eigenschaften von Arrokoth erklären. Die Forschung wurde von Doktorand Evgeni Grishin, Postdoc Dr. Uri Malamud und ihrem Betreuer Professor Hagai Perets in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe in Tübingen, Deutschland, geleitet. Eine einfache Kollision zweier zufälliger Objekte im Kuipergürtel bei hoher Geschwindigkeit würde diese zerstören, da sie wahrscheinlich größtenteils aus weichem Eis bestehen. Andererseits, wenn sich die beiden Körper auf Kreisbahnen befänden (ähnlich der Umlaufbahn des Mondes um die Erde).

Den Schneemann sezieren

Die gemessene Geschwindigkeit ist tatsächlich ziemlich niedrig im Vergleich zu dem, was man erwarten würde, wenn Arrokoth sich sehr schnell drehen und dann langsam abbremsen würde, um sich sanfter zu nähern und Kontakt herzustellen. Eine vollständige Umdrehung von Arrokoth dauert 15,92 Stunden. Darüber hinaus beträgt seine Neigung (im Verhältnis zur Ebene seiner Umlaufbahn um die Sonne) extrem große 98 Grad, sodass er fast auf der Seite liegt. Dem Forschungsmodell zufolge kreisen die beiden Himmelskörper zwar umeinander, bilden aber durch ihre gemeinsame Umlaufbahn um die Sonne grundsätzlich ein Dreifachsystem.

Die Dynamik solcher Dreifachsternsysteme ist komplex und wird als Dreikörperproblem bezeichnet. Die Dynamik eines Gravitationsdreisternsystems ist bekanntermaßen sehr chaotisch und in der Studie stellten die Forscher fest, dass sich das System weder auf einfache, geordnete Weise bewegt, noch völlig chaotisch funktioniert. Durch eine langsame (säkulare) Entwicklung ging er von einer weiten, relativ kreisförmigen Umlaufbahn zu einer stark exzentrischen, elliptischen Umlaufbahn über, die viel langsamer ist als Arrokoths Umlaufzeit um die Sonne. Es lässt sich zeigen, dass eine solche Flugbahn letztendlich zu einer Kollision führt, die sehr langsam sein wird.

Andererseits würde es jedoch ein langsam rotierendes, stark geneigtes Objekt erzeugen, was mit den Eigenschaften von Arrokoth übereinstimmt. Detaillierte Simulationen bestätigten dies und führten zu einem Modell, das dem Aussehen, der Drehung und der Neigung des Arrokoth Yeti sehr ähnlich war. Wir untersuchten auch die Stabilität und Wahrscheinlichkeit solcher Prozesse und fanden heraus, dass sie in bis zu 20 % aller Doppelsterne des Kuipergürtels recht häufig vorkommen und sich wahrscheinlich auf ähnliche Weise entwickeln. Bislang war es unmöglich, die einzigartigen Merkmale von Arrokoth zu erklären, da sie ein kontraintuitives Ergebnis darstellen.

Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision steigt tatsächlich, wenn der anfängliche binäre Abstand größer ist und der anfängliche Neigungswinkel näher bei 90 Grad liegt. Das neue Modell erklärt sowohl die hohe Wahrscheinlichkeit einer Kollision als auch die einzigartigen Daten für das heutige einheitliche System und sagt tatsächlich voraus, dass sich im Kuipergürtel noch viel mehr Objekte befinden. Tatsächlich könnte sogar das System der Pluto- und Charon-Satelliten durch ähnliche Prozesse entstanden sein und sie scheinen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Doppelstern- und Mondsystemen im Sonnensystem zu spielen.

Boco Park | Forschung/Quelle: American Institute of Technology

Fachzeitschrift Nature

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