Вчені пояснили, як комети перетворюються на газокрижані бомби

У надрах об’єктів поясу Койпера, що знаходяться на задвірках Сонячної системи, лід може зберігатися набагато довше, ніж вчені передбачали раніше, — протягом мільярдів років. Такі крижані космічні тіла не що інше, як «бомба уповільненої дії», яка «потужно вибухає» у міру наближення до нашого світила. Про це у своїй статті розповіли американські вчені. На їхню думку, нова робота допоможе не тільки пояснити, чому об’єкти Койпера раптово і яскраво спалахують, коли вперше наближаються до Сонця, а й повністю змінить уявлення про астероїди і комети.

Об’єкти пояса Койпера — частини зовнішньої області Сонячної системи, розташованої за орбітою Нептуна, між 30 і 55 астрономічними одиницями — є різноманітною популяцією невеликих крижаних тіл. Всі вони містять у своїх надрах різну кількість заморожених тугоплавких та летких матеріалів. 

Багато хто з цих об’єктів досить давні: вони з’явилися на зорі Сонячної системи і уникнули «еволюційної обробки». Крім того, більшість таких тіл знаходиться далеко від Сонця, тому часто не зазнають сильного теплового впливу нашої зірки, а отже, можуть зберігати «первинну сировину», що залишилася з часів формування планет. 

Не одне десятиліття вчені ламають голову над тим, що згодом відбувається з льодом на цих космічних каменях і як довго ці об’єкти можуть утримувати свої леткі речовини. Різні чисельні теплові моделі, які пропонували дослідники, не могли дати точної відповіді на ці питання, оскільки не враховували низку факторів на кшталт чутливості заморожених летких речовин до температурних діапазонів. Передбачалося, що льоди на об’єктах пояса Койпера повинні випаровуватися навіть у віддалених куточках Сонячної системи, де зафіксовано «трохи теплі» умови.

Група американських астрофізиків з Браунівського університету та Інституту SETI розробила математичну модель для вивчення еволюції комет, яку вони застосували до (486958) Аррокота — контактно-подвійного транснептунового астероїда з пояса Койпера, відкритого телескопом «Хаббл» у 2014 році.   

Модель показала, що Аррокот (він же Ультіма Туле) та інші невеликі об’єкти пояса Койпера можуть зберігати свій лід, що складається із заморожених летких речовин, протягом мільярдів років, тобто набагато довше, ніж раніше. Відбувається це за допомогою «суперморозильних камер» у їхніх надрах, які підтримують леткі речовини у твердому стані, поки космічні тіла знаходяться на задвірках Сонячної системи. Результати роботи опубліковані в журналі Icarus.

Аррокот — один із холодних класичних об’єктів зовнішньої частини Сонячної системи, який наше світило суттєво ніколи не нагрівало. Він схожий на сніговика, оскільки складається із двох частин. Структура, склад, форма та орбіта Аррокота припускають, що він зберігся майже в первозданному вигляді з часів формування Сонячної системи та залишався на своїй нинішній орбіті з моменту утворення.

На думку ряду вчених, хімічний склад транснептунового астероїда може найбільше нагадувати хімічний склад протозіркового та протопланетного дисків, з яких він, швидше за все, сформувався. Це середовище, ймовірно, було багате на леткі речовини, такі як чадний газ (CO). 

Нова модель показала, що у надрах Аррокота може бути значний запас CO. Враховуючи внутрішні температури астероїда та його теплопровідність, американські астрофізики з’ясували, що цей запас має зберігатись у надрах астероїда протягом мільярдів років.

Причина в тому, що низькі внутрішні температури астероїда не дають газу швидко вийти назовні. Під час процесу сублімації замерзлого СО — тобто переходу з твердого стану в газоподібний, минаючи рідку фазу — усередині пористої, схожої на губку, породи астероїда створюється «чадна атмосфера», яка утримується, навіть коли за «бортом» стає відносно тепло.

«Фокус у тому, що для переміщення газу до поверхні необхідна також сублімація льоду, тому виникає ефект доміно: коли в надрах Аррокота стає холодніше, лід сублімується набагато рідше, отже, до поверхні переміщається менше газу, коли стає ще холодніше, цей ефект посилюється. Зрештою холод все просто відключає, в результаті залишається об’єкт, повний усередині газу, який дуже повільно витікає назовні», — пояснив Семюель Берч (Samuel Birch), один з авторів дослідження. 

Вчені зазначили, що такий ефект чимось нагадує «бомбу уповільненої дії»: крижані об’єкти поясу Койпера зберігають леткі речовини у своїх надрах до того моменту, поки достатньо не наблизяться до Сонця і сонячне випромінювання остаточно не розігріє. 

Коли такий об’єкт нагрівається, леткі речовини починають блискавично «танути». Але глибоко всередині все ще холодно, таким чином, «чадна атмосфера» продовжує утримуватись і створює тиск. Це чимось нагадує пляшку з газованою водою, яку струсили, перш ніж відкрити. Через війну тиск різко знижується, відбувається «бум», і об’єкт перетворюється на комету — з’являється хвіст, у якому реєструються леткі речовини.

На думку авторів роботи, їхнє відкриття допоможе пояснити, чому об’єкти Койпера раптово і яскраво спалахують, коли вперше наближаються до Сонця. Дослідники вважають, що у цьому поясі можуть бути сотні, а то й тисячі таких газокрижаних бомб. У будь-якому разі фізичні моделі, які вчені десятиліттями використовували для опису комет та астероїдів, що знаходяться у зовнішній галузі Сонячної системи, доведеться переглянути, зазначили американські вчені.