Wie ist Arrokoth entstanden?

Das asteroid­ähnliche Objekt Arrokoth im Kuiper­gürtel ist das erdfernste Objekt am Rand unseres Sonnensystems, das von einer Sonde besucht und ins Bild gesetzt wurde. Sein Aufbau aus zwei ungleich großen rundlichen Teilen, die durch einen schmalen Hals verbunden sind, trug ihm den Spitznamen „Schneemann“ ein. Ein Forschungs­team unter der Leitung von Evgeny Grishin, Uri Malamud und Hagai Perets vom Technion, dem Israel Institute of Technology, hat untersucht, wie sich die ursprünglich zwei Körper von Arrokoths Gestalt aneinander­fügten, ohne in einer Kollision zerstört zu werden.

Oliver Wandel und Christoph Schäfer vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen haben die Simu­lationen entwickelt, mit denen die Wissenschaftler ihre Hypothesen überprüft haben. Danach gehen sie davon aus, dass Arrokoth im komplexen Dreier­system mit der Sonne durch die langsame Annäherung zweier kleiner Körper entstanden ist. Mit ihrem Modell lässt sich allgemein die Entstehung vieler Doppel­systeme im Kuipergürtel erklären. Arrokoth erhielt am 1. Januar 2019 Besuch von der Raumsonde der NASA New Horizons, die 2006 zur Erforschung von Pluto gestartet war. Die Sonde kam bis auf 5.500 Kilometer an Arrokoth heran. Noch unter den früheren Namen 2014 MU69 und Ultima Thule (lat.: „Der Rand der Welt“) war Arrokoth als geeignetes, nicht zu weit von Pluto entfernt liegendes Objekt zur näheren Erforschung bei dieser Mission ausgewählt worden. Arrokoth bedeutet „Himmel“ oder „Wolke“ in der inzwischen ausge­storbenen Sprache Powhatan eines amerikanischen Stammes.

Der Zwergplanet Pluto ist das größte Objekt am Rand des Sonnen­systems. Daneben finden sich in der Region jenseits von Neptun, die als Kuiper­gürtel bezeichnet wird, zahllose asteroid­ähnliche Objekte, die eine Größe von wenigen Metern bis zu Tausenden von Kilometern haben. Die Bedingungen in diesem Bereich unterscheiden sich stark von denen des Schwester-Asteroiden­gürtels weiter innen im Sonnensystem. Vor allem ist es im Kuipergürtel viel kälter, und die dortigen Objekte bestehen typischerweise zu großen Teilen aus Eis. Die Sonde New Horizons lieferte eine ganze Reihe von Bildern und Informationen über Arrokoth: Es handelt sich um ein rund dreißig Kilometer langes Doppel­system aus sich berührenden Körpern. „Arrokoth hat einige merkwürdige Eigenschaften“, sagt Evgeny Grishin. „Er rotiert mit langsamer Geschwin­digkeit um sich selbst, sein Tag dauert knapp 16 Stunden. Außerdem ist sein Neigungswinkel – relativ zu seiner Umlaufbahn um die Sonne – mit 98 Grad sehr groß.“ Der Schneemann liegt fast auf der Seite.

Die Forscher sind sicher, dass Arrokoth aus zwei kleineren Kuipergürtel­objekten entstanden ist. Doch bisher war der genauere Ablauf unklar. „Eine zufällige direkte Kollision zweier Objekte im Kuiper­gürtel mit hoher Geschwin­digkeit würde die Objekte zerstören, da sie mit hoher Wahrscheinlichkeit hauptsächlich aus weichem Eis bestehen“, erklärt Grishin. „Würden sich zwei Körper in einer kreis­förmigen Umlaufbahn umeinander drehen – ähnlich wie der Mond die Erde umrundet –, sich dann langsam spiral­förmig annähern und bei geringer Geschwin­digkeit aneinander stoßen, müsste die Eigen­rotations­geschwin­digkeit von Arrokoth extrem hoch sein. Das entspricht jedoch nicht der gemessenen langsamen Eigen­rotation.“ Die israelischen Forscher haben daher ein Modell entwickelt, das die Bedingungen im Kuiper­gürtel besser wiedergibt. „Unserem Modell zufolge umkreisen sich die beiden Körper, doch weil sie gemeinsam die Sonne umkreisen, handelt es sich nicht um ein Doppel-, sondern um ein Dreiersystem. Solche Systeme, bei denen sich drei Objekte gegenseitig anziehen, haben eine komplexe Dynamik, dies ist in der Physik als das Drei-Körper-Problem bekannt“, sagt Grishin. „Das System von Arrokoth verhielt sich aber weder völlig chaotisch, wie es bei komplexen Dreier­systemen zu erwarten war, noch aber in einfacher und geordneter Weise.“

Die Forscher haben dieses Szenario für die Entstehung von Arrokoth aufgestellt: „Die beiden Objekte umrundeten sich anfangs in einer weiten, weitgehend kreis­förmigen Umlaufbahn, die sich in einem lang­dauernden Prozess in eine stark exzentrische, elliptische Umlaufbahn weiter­entwickelte“, beschreibt Hagai Perets die Abläufe. „Wir konnten belegen, dass solche Bewegungsbahnen zu einer Kollision führen können, die einerseits langsam ist und die Objekte nicht zerstört, aber andererseits ein langsam rotierendes, stark geneigtes Objekt zum Ergebnis hätte, in gleicher Weise, wie Arrokoths Eigenschaften beobachtet wurden.“ Für die detaillierten Simu­lationen haben die Tübinger Forscher spezielle Computercodes entwickelt, die auf dem Bio­informatik/Astro­physik-Cluster BinAc des Zentrums für Daten­verarbeitung der Universität laufen. „Wir mussten Hunderte von Simulationen durchführen, um alle Messdaten aus dem All konsistent zusammenzuführen“, sagt Christoph Schäfer. Oliver Wandel ergänzt: „Die Feldforschung im All ist noch im Frühstadium. Die Körper, aus denen Arrokoth aufgebaut ist, haben eine hohe Porosität, die Eigenschaften des Körperinnern sind aber nicht genau bekannt. Daher mussten wir mit einer Vielzahl unter­schiedlicher Annahmen arbeiten.“

Die Forscher gehen davon aus, dass solche Prozesse, die zur Entstehung von Arrokoth führten, recht verbreitet sind. Bis zu zwanzig Prozent der Doppel­systeme im Kuiper­gürtel könnten auf ähnlichem Weg entstanden sein. Auch das System von Pluto und seinem Mond Charon könnte durch einen ähnlichen Prozess entstanden sein. „Wahr­scheinlich spielen solche Abläufe allgemein eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Doppel­systemen und Mondsystemen in unserem Sonnen­system“, sagt Uri Malamud. Christoph Schäfer setzt hinzu: „Die Objekte im Kuipergürtel sind Überbleibsel aus der Zeit, in der die Planeten entstanden sind. Sie sind mehr als 4,5 Milliarden Jahre alt. Durch die Unter­suchung dieser Objekte können wir möglicherweise auch viel über die Entstehung der Planeten erfahren.

U. Tübingen / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Grishin et al.: The wide-binary origin of (2014) MU₆₉-like Kuiper belt contact binaries, Nature 580, 463 (2020); DOI: 10.1038/s41586-020-2194-z
• Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen
• Astrophysics, Physics Dept., Technion Israel Institute of Technology, Haifa, Israel