Астрофизики объяснили, как кометы и астероиды превращаются в газоледяные бомбы

Объекты пояса Койпера — части внешней области Солнечной системы, расположенной за орбитой Нептуна, между 30 и 55 астрономическими единицами — представляют собой разнообразную популяцию небольших ледяных тел. Все они содержат в своих недрах различное количество замороженных тугоплавких и летучих материалов. 

Многие из этих объектов достаточно древние: они появились на заре Солнечной системы и избежали «эволюционной обработки». Кроме того, большинство таких тел находится далеко от Солнца, поэтому зачастую не подвергаются сильному тепловому влиянию нашей звезды, а значит, могут сохранять «первичное сырье», оставшееся со времен эпохи формирования планет. 

Не одно десятилетие ученые ломают голову над тем, что со временем происходит со льдом на этих космических камнях и как долго эти объекты могут удерживать свои летучие вещества. Различные численные тепловые модели, которые предлагали исследователи, не могли дать точного ответа на эти вопросы, поскольку не учитывали ряд факторов вроде чувствительности замороженных летучих веществ к температурным диапазонам. Предполагалось, что льды на объектах пояса Койпера должны испаряться даже в отдаленных уголках Солнечной системы, где зафиксированы «слегка теплые» условия.

Группа американских астрофизиков из Брауновского университета и Института SETI разработала математическую модель для изучения эволюции комет, которую они применили к (486958) Аррокоту — контактно-двойному транснептуновому астероиду из пояса Койпера, открытому телескопом «Хаббл» в 2014 году.   

Модель показала, что Аррокот (он же Ультима Туле) и другие небольшие объекты пояса Койпера могут сохранять свой лед, состоящий из замороженных летучих веществ, на протяжении миллиардов лет, то есть намного дольше, чем считалось ранее. Происходит это с помощью «суперморозильных камер» в их недрах, которые поддерживают летучие вещества в твердом состоянии, пока космические тела находятся на задворках Солнечной системы. Результаты работы опубликованы в журнале Icarus.

Аррокот — один из холодных классических объектов внешней части Солнечной системы, который наше светило существенно никогда не нагревало. Он похож на снеговика, так как состоит из двух частей.  Структура, состав, форма и орбита Аррокота предполагают, что он сохранился почти в первозданном виде со времен формирования Солнечной системы и оставался на своей нынешней орбите с момента образования.

По мнению ряда ученых, химический состав транснептунового астероида может наиболее сильно напоминать химический состав протозвездного и протопланетного дисков, из которых он, скорее всего, сформировался. Эта среда, вероятно, была богата летучими веществами, такими как угарный газ (CO). 

Новая модель показала, что в недрах Аррокота может находиться значительный запас CO. Учитывая внутренние температуры астероида и его теплопроводность, американские астрофизики выяснили, что этот запас должен сохраняться в недрах астероида на протяжении миллиардов лет.

Причина в том, что внутренние низкие температуры астероида не дают газу быстро выйти наружу. Во время процесса сублимации замерзшего СО — то есть перехода из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу — внутри пористой, похожей на губку, породы астероида создается «угарная атмосфера», которая удерживается, даже когда за «бортом» становится относительно тепло.

«Фокус в том, что для перемещения газа к поверхности необходима также сублимация льда, поэтому возникает эффект домино: когда в недрах Аррокота становится холоднее, лед сублимируется гораздо реже, следовательно, к поверхности перемещается меньше газа, когда же становится еще холоднее, этот эффект усиливается. В конце концов холод все просто отключает, в результате остается объект, полный внутри газа, который очень медленно вытекает наружу», — пояснил Сэмюэль Берч (Samuel Birch), один из авторов исследования. 

Ученые отметили, что такой эффект чем-то напоминает «бомбу замедленного действия»: ледяные объекты пояса Койпера сохраняют летучие вещества в своих недрах до того момента, пока достаточно не приблизятся к Солнцу и солнечное излучение их окончательно не разогреет. 

Когда такой объект нагревается, летучие вещества начинают молниеносно «таять». Но глубоко внутри все еще холодно, таким образом, «угарная атмосфера» продолжает удерживаться и создает давление. Это чем-то напоминает бутылку с газировкой, которую встряхнули, прежде чем открыть. В итоге давление резко снижается, происходит «бум», и объект превращается в комету — появляется хвост, в котором регистрируются летучие вещества.

По мнению авторов работы, их открытие поможет объяснить, почему объекты Койпера внезапно и ярко вспыхивают, когда впервые приближаются к Солнцу. Исследователи считают, что в этом поясе могут быть сотни, а то и тысячи таких газоледяных бомб. В любом случае физические модели, которые ученые десятилетиями использовали для описания комет и астероидов, находящихся во внешней области Солнечной системы, придется пересмотреть, отметили американские ученые.