Het trans-Neptuniaanse object Arrokoth, ook bekend als Ultima Thule, die NASA's ruimtesonde New Horizons passeerde op nieuwjaarsdag 2019, kan zijn vorm aanzienlijk hebben veranderd in de eerste 100 miljoen jaar sinds zijn vorming. In de uitgave van het tijdschrift van vandaag Natuurastronomie , onderzoekers onder leiding van de Chinese Academie van Wetenschappen en het Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) suggereren dat de huidige vorm van Arrokoth, die lijkt op een afgeplatte sneeuwman, kan van evolutionaire oorsprong zijn als gevolg van vluchtige uitgassing. Hun berekeningen helpen ons te begrijpen wat de huidige staat van lichamen aan de rand van het zonnestelsel ons kan leren over hun oorspronkelijke eigenschappen.

De vele miljoenen lichamen die de Kuipergordel buiten de baan van Neptunus bevolken, moeten nog veel van hun geheimen onthullen. In 1980, de ruimtesondes Pioneer 1 en 2 en Voyager 1 en 2 doorkruisten dit gebied maar zonder camera's aan boord. NASA's ruimtevaartuig New Horizons stuurde de eerste beelden van de buitenste rand van het zonnestelsel naar de aarde:in de zomer van 2015 van dwergplaneet Pluto en drie en een half jaar later van het trans-Neptuniaanse object Arrokoth, ongeveer 30 kilometer groot. Nog niet officieel genoemd, het lichaam kreeg destijds de bijnaam Ultima Thule, met betrekking tot het meest noordelijke landpunt op aarde. Ten slotte, het trans-Neptuniaanse object is het lichaam dat het verst verwijderd is van de zon en dat ooit is bezocht en afgebeeld door een door mensen gemaakte sonde.

Vooral de vreemde vorm van Arrokoth zorgde voor een sensatie in de dagen na de fly-by. Het lichaam is een contact binair, vermoedelijk het resultaat van het met lage snelheid samensmelten van twee afzonderlijke lichamen die zich dicht bij elkaar vormden. Het bestaat uit twee verbonden lobben, waarvan de kleinere iets afgeplat is, de grotere sterk dus, het creëren van de indruk van een geplette sneeuwpop. In hun huidige publicatie de onderzoekers uit China, Duitsland, en de VS onderzoeken hoe deze vorm is ontstaan. Van sommige kometen is ook een uitgesproken tweelobbige vorm bekend. Echter, er is geen ander bekend lichaam dat zo plat is als Arrokoth. Zag Arrokoth er al zo uit toen het werd gemaakt? Of is de vorm geleidelijk ontstaan?

"We zien de Kuipergordel graag als een regio waar de tijd min of meer heeft stilgestaan ​​sinds de geboorte van het zonnestelsel, " legt Ladislav Rezac van MPS uit, een van de twee eerste auteurs van de huidige publicatie. Meer dan vier miljard kilometer verwijderd van de zon, de lichamen van de Kuipergordel zijn bevroren en onveranderd gebleven, zo is het algemene geloof. New Horizon's beelden van Arrokoth dagen dit idee uit door zijn ogenschijnlijk gladde oppervlak zonder tekenen van frequente kratervorming en door zijn eigenaardige, afgeplatte vorm. Wetenschappers gaan ervan uit dat het zonnestelsel 4,6 miljard jaar geleden werd gevormd uit een schijf van stof:de deeltjes uit deze nevel klonterden samen tot steeds grotere klonten; deze klonten botsten en vloeiden samen tot nog grotere lichamen. "Er is nog geen verklaring voor hoe een lichaam zo plat als Arrokoth uit dit proces zou kunnen komen, ' zegt Rezac.

Een andere mogelijkheid zou zijn dat Arrokoth om te beginnen een meer gewone vorm had. Het kan zijn begonnen als een fusie tussen een bolvormig en een afgeplat lichaam op het moment van zijn oprichting en slechts geleidelijk afgeplat. Eerdere studies suggereren dat tijdens de vorming van het zonnestelsel, de regio waar Arrrokoth ligt, had een aparte omgeving kunnen zijn in de kou, stofschaduwrijke middenvlak van de buitenste nevel. Door de lage temperaturen konden vluchtige stoffen zoals koolmonoxide en methaan op stofkorrels bevriezen en planetesimalen vormen. Toen het nevelstof opklaarde na de vorming van Arrokoth, zonneverlichting zou de temperatuur hebben verhoogd en dus snel de gecondenseerde vluchtige stoffen hebben verdreven. De vreemde vorm van Arrokoth zou dan een natuurlijk resultaat zijn vanwege een gunstige combinatie van zijn grote scheefstand, kleine excentriciteit en massaverliessnelheidsvariatie met zonneflux, wat resulteert in bijna symmetrische erosie tussen noord en zuid halfrond.

"Om een ​​lichaam zo extreem van vorm te laten veranderen als Arrokoth, de rotatie-as moet op een speciale manier worden georiënteerd, " legt Rezac uit. In tegenstelling tot de rotatie-as van de aarde, Die van Arrokoth is bijna evenwijdig aan het baanvlak. Tijdens zijn 298-jarige baan om de zon, het ene poolgebied van Arrokoth is bijna de helft van de tijd onafgebroken naar de zon gericht, terwijl het andere van de andere kant is afgekeerd. Regio's op de evenaar en lagere breedtegraden worden het hele jaar door gedomineerd door dagelijkse variaties. "Hierdoor worden de polen het meest warm, zodat bevroren gassen daar het meest efficiënt kunnen ontsnappen, wat resulteert in een sterk massaverlies, " says Yuhui Zhao from the Purple Mountain Observatory of the Chinese Academy of Sciences. The flattening process most likely occurred early in the evolution history of the body and proceeded rather quickly on a timescale of about one to 100 million years during the presence of super volatile ices in the near subsurface layers. In addition, the scientists self-consistently demonstrated that the induced torques would play a negligible role in the planetesimal's spin state change during the mass loss phase.

"How many of such 'flattened snowman' bodies are in the Kuiper Belt depends primarily on the probability of a body having a spin-axis inclination similar to Arrokoth's and on the amount of super-volatile ices present near its subsurface, " Rezac says. There are reasons to believe that even objects like Arrokoth had considerable amounts of super-volatiles that have escaped during its early evolution. For instance, Pluto, due to its size and stronger gravity retains carbon monoxide, nitrogen and methane gasses even today. In the case of smaller bodies, these volatiles would long have escaped into space.