Chiunque abbia visto il cartone animato Frozen ricorderà Olaf, il pupazzo di neve fragile eppure sorprendentemente stabile. Ebbene, a miliardi di chilometri dalla Terra, nella regione più remota del Sistema solare, esistono oggetti reali che ricordano proprio la forma del personaggio animato: un “pupazzo di neve” cosmico composto da due sfere sovrapposte e poi fuse insieme. Una sorta di Frosty che viaggia nello spazio.
L’asteroide Arrokoth. Questa immagine è stata scattata dalla sonda spaziale New Horizons della Nasa il 1° gennaio 2019 durante il sorvolo dell’oggetto della fascia di Kuiper 2014 MU69, noto come Ultima Thule. Si tratta della visione più nitida mai ottenuta di questo straordinario oggetto antico situato ai confini del sistema solare. Crediti: Nasa
Ma facciamo un passo indietro. Ben oltre l’orbita dei pianeti giganti, al di là di Nettuno, s’incontra la fascia di Kuiper: una regione a forma di ciambella estesa tra 4,5 e 8 miliardi di chilometri dal Sole, popolata da migliaia di corpi ghiacciati, residui della formazione del Sistema solare. Qui si trovano pianeti nani come Plutone, comete e planetesimi, ovvero i primi “mattoni” della costruzione planetaria. Si tratta di materiali rimasti quasi intatti fin dall’epoca in cui il Sistema solare stava prendendo forma, più di quattro miliardi e mezzo di anni fa. La densità di oggetti in questa zona del cosmo è relativamente bassa e le collisioni sono meno frequenti rispetto alle regioni interne del Sistema solare; per questo motivo molte strutture originarie sono sopravvissute.
È proprio in questo ambiente freddo e poco disturbato che gli astronomi hanno osservato un’abbondanza sorprendente di oggetti dalla forma bilobata, che ricorda – appunto – quella di un pupazzo di neve. Una frazione significativa – circa il dieci per cento – dei piccoli corpi della fascia di Kuiper mostra questa morfologia a “due lobi”. Sono chiamati asteroidi binari a contatto, cioè corpi originariamente separati che, nel tempo, si sono avvicinati fino a toccarsi e fondersi senza distruggersi.
La domanda che ha incuriosito per anni gli astronomi è stata: perché nello spazio molti oggetti ghiacciati assumono proprio questa strana configurazione? A rispondere è ora uno studio, pubblicato ieri su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, condotto da un gruppo di ricercatori della Michigan State University avvalendosi di una nuova generazione di simulazioni. Il meccanismo individuato sarebbe legato al collasso gravitazionale nelle prime fasi del disco protoplanetario. Ma per comprendere l’origine di tali oggetti è necessario tornare al momento in cui il Sistema solare si stava formando. All’inizio, la giovane Via Lattea era caratterizzata da dischi di gas e polveri. Anche intorno al Sole nascente, minuscoli granelli solidi iniziarono a scontrarsi e aggregarsi. Il processo avvenne gradualmente: le polveri micrometriche si unirono formando aggregati sempre più grandi, poi piccoli ciottoli, quindi ammassi di dimensioni maggiori. A un certo punto, la gravità divenne la forza dominante e questi agglomerati iniziarono ad attirare ulteriore materiale, dando origine ai planetesimi. Un’analogia efficace è quella dei fiocchi di neve che si accumulano a formare una palla: all’inizio la struttura è fragile, ma man mano che cresce diventa più compatta e resistente. Nello spazio, questo processo avverrebbe su scale immensamente più grandi, ma secondo gli stessi principi fisici.
Per lungo tempo, però, si è ritenuto che i planetesimi fossero approssimativamente sferici, considerando che la gravità tende generalmente a minimizzare l’energia e a favorire forme compatte e che le collisioni smussano le irregolarità. I modelli teorici disponibili non riuscivano, però, a riprodurre facilmente strutture bilobate, e le simulazioni numeriche trattavano spesso i planetesimi come gocce fluide: due oggetti che, entrando in contatto, si comportano come liquidi fondendosi in un’unica sfera. In queste condizioni sarebbe stato quasi impossibile ottenere due lobi ben conservati. Eppure le osservazioni raccontavano una storia diversa.
Nel gennaio 2019, la sonda Nasa della missione New Horizons, diretta verso Plutone, ha fotografato da vicino un oggetto della fascia di Kuiper con una forma inequivocabile: si tratta di Arrokoth, anche noto come Ultima Thule: un asteroide con due lobi distinti uniti da un collo stretto al centro. L’immagine era così evocativa da ricordare immediatamente un pupazzo di neve. Dopo quella scoperta, gli astronomi hanno esaminato numerosi dati e si sono accorti che configurazioni simili erano tutt’altro che rare. Dovevano dunque essere l’esito di un qualche processo naturale e frequente avvenuto nelle condizioni primordiali del Sistema solare.
La svolta giunge ora grazie al lavoro sviluppato da Jackson Barnes e Seth Jacobson della Michigan State University, autori di simulazioni che includono proprietà fisiche più realistiche rispetto alle precedenti: resistenza meccanica dei materiali, attrito tra superfici ghiacciate e dinamica orbitale dettagliata. Grazie al supercalcolo, gli oggetti non vengono più trattati come fluidi, ma come corpi solidi capaci di mantenere la propria forma. Così facendo, per la prima volta la formazione di corpi binari a contatto è emersa naturalmente dal modello.
«Se pensiamo che il dieci per cento dei planetesimi è un binario a contatto, il processo che li forma non può essere raro», dice Jacobson. «Il collasso gravitazionale si adatta perfettamente a ciò che abbiamo osservato». Questo scenario, illustrato dall’animazione qui sotto, spiega perché la forma sferica dei lobi venga preservata e perché la zona di contatto sia relativamente stretta: non si tratta di una fusione catastrofica ma di una sorta di “abbraccio gravitazionale”.
Una volta formati, gli oggetti bilobati restano sorprendentemente stabili. Nella fascia di Kuiper le collisioni sono rare e le perturbazioni gravitazionali limitate. Le temperature estremamente basse mantengono rigidi i materiali e impediscono deformazioni significative. Gli astronomi ritengono che questi oggetti contengano ghiacci altamente primitivi e poco alterati, rimasti quasi intatti fin dalla formazione del Sistema solare: a grandi distanze dal Sole, le basse temperature li hanno preservati, come “campioni fossili” delle condizioni originali della nebulosa solare. Molti di questi corpi celesti presentano inoltre pochissimi crateri, segno di un ambiente relativamente tranquillo. Senza eventi energetici in grado di separarli, i due lobi possono restare uniti per miliardi di anni.
«Siamo ora in grado di verificare le nostre ipotesi per la prima volta in modo legittimo», conclude Barnes, primo autore della ricerca. «E ciò rende così entusiasmante questo lavoro». Con le future missioni della Nasa dirette verso le regioni più lontane del Sistema solare, gli scienziati sospettano che si possano incontrare spesso altri “pupazzi di neve”. Da qualche parte, tra i ghiacci più remoti, potrebbero nascondersi quindi altri parenti cosmici di Olaf e Frosty ancora tutti da scoprire.
Per saperne di più:
- Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “Direct contact binary planetesimal formation from gravitational collapse”, di Jackson T Barnes , Stephen R Schwartz , Seth A Jacobson
Guarda l’animazione sul canale YouTube della Michigan State University: