Por que o sistema solar exterior está cheio de “bonecos de neve” cósmicos gigantes

Além do turbulento cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter fica o Cinturão de Kuiper, uma região distante além de Netuno repleta de remanescentes congelados dos primeiros dias do sistema solar. Esses objetos primitivos, conhecidos como planetesimais, são restos de blocos de construção da formação planetária. Cerca de 10% deles são classificados como binários de contato, o que significa que consistem em dois lóbulos conectados que lhes conferem uma aparência de boneco de neve. Até recentemente, os cientistas não sabiam como tais formas poderiam desenvolver-se naturalmente.

Nova simulação suporta colapso gravitacional

Jackson Barnes, um estudante de pós-graduação da MSU, desenvolveu a primeira simulação computacional capaz de produzir naturalmente essas estruturas de dois lóbulos através do colapso gravitacional. Suas descobertas foram publicadas no Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

Modelos computacionais anteriores simplificaram os impactos tratando os corpos em colisão como se fossem massas fluidas que se misturavam em esferas lisas. Essa suposição impediu os pesquisadores de recriar a forma distinta de duas partes vista nos binários de contato. Usando o cluster de computação de alto desempenho do Institute for Cyber-Enabled Research, ou ICER, da MSU, Barnes criou um ambiente digital mais realista. Em seu modelo, os objetos formadores mantêm sua resistência estrutural, permitindo que eles se acomodem uns contra os outros, em vez de se fundirem em uma única esfera.

Algumas explicações anteriores baseavam-se em eventos cósmicos raros ou condições incomuns. Embora esses cenários sejam possíveis, eles não explicariam facilmente por que tais objetos são relativamente comuns.

“Se pensarmos que 10 por cento dos objetos planetesimais são binários de contato, o processo que os forma não pode ser raro”, disse o professor de Ciências da Terra e Ambientais Seth Jacobson, autor sênior do artigo. “O colapso gravitacional se ajusta perfeitamente ao que observamos.”

NASA New Horizons e o Cinturão de Kuiper

Os binários de contato ganharam ampla atenção quando a espaçonave New Horizons da NASA capturou imagens em close-up de um em janeiro de 2019. As imagens levaram os cientistas a examinar mais de perto objetos adicionais do Cinturão de Kuiper, revelando que cerca de um em cada 10 planetesimais compartilham esta forma. No pouco povoado Cinturão de Kuiper, esses corpos distantes flutuam com relativamente poucas colisões, permitindo a sobrevivência de estruturas frágeis.

O próprio Cinturão de Kuiper é uma relíquia do início da Via Láctea, quando a galáxia existia como um disco giratório de gás e poeira. Esse material antigo ainda permanece nesta região, incluindo planetas anões como Plutão, cometas e incontáveis ​​planetesimais.

Como os planetesimais se formam e se fundem

Os planetesimais estiveram entre os primeiros objetos de tamanho considerável a se formar a partir do disco rodopiante de poeira e seixos que cercava o jovem Sol. Semelhante à forma como os flocos de neve se unem para formar uma bola de neve, pequenas partículas foram atraídas pela gravidade em aglomerados maiores.

À medida que estas nuvens rotativas colapsavam, por vezes dividiam-se em dois corpos separados que começavam a orbitar um ao outro. Os astrônomos observam frequentemente esses planetesimais binários no Cinturão de Kuiper. Na simulação de Barnes, o par espirala gradualmente para dentro. Em vez de colidirem violentamente, os dois corpos entram suavemente em contacto e fundem-se, preservando as suas formas arredondadas e criando a familiar forma de boneco de neve.

Por que os binários de contato sobrevivem

Uma vez unidos, estes objetos podem permanecer intactos durante milhares de milhões de anos. De acordo com Barnes, a sua estabilidade a longo prazo advém da baixa probabilidade de novos impactos. No remoto Cinturão de Kuiper, as colisões são raras. Sem uma colisão perturbadora, não há nada que separe os dois lóbulos. Muitos objetos binários mostram até poucas crateras.

Embora os cientistas suspeitassem que o colapso gravitacional desempenhava um papel na formação de binários de contacto, os modelos anteriores careciam da física detalhada necessária para testar a ideia exaustivamente. O trabalho de Barnes é o primeiro a incluir os processos necessários para recriá-los com sucesso.

“Conseguimos testar esta hipótese pela primeira vez de forma legítima”, disse Barnes. “Isso é o que há de tão interessante neste artigo.”

Barnes acredita que o modelo também poderia ajudar os pesquisadores a estudar sistemas mais complexos envolvendo três ou mais objetos conectados. A equipe está atualmente desenvolvendo uma simulação aprimorada para representar melhor como as nuvens em colapso se comportam.

À medida que as futuras missões da NASA continuam a explorar regiões distantes do sistema solar, Jacobson e Barnes esperam que ainda mais mundos em forma de bonecos de neve possam ser descobertos.