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揭开宇宙雪人之谜：密歇根州科学家确定阿罗科斯奇特形状的起源
2019年1月1日，美国宇航局的“新视野号”任务创造了历史，它首次近距离飞越了柯伊伯带天体，这是一个位于海王星轨道之外的广阔冰冷区域。这个天体，最初被称为“终极远境”（Ultima Thule），后来更名为阿罗科斯（Arrokoth），以其独特的雪人状外形吸引了科学家和公众的目光。航天器拍摄的图像清晰地显示了两个相连的球形叶片，立即引发了一个深刻的天文之谜：在太阳系寒冷遥远的区域，这种结构是如何形成的？
阿罗科斯的形状长期以来一直困扰着科学家，因为之前基于流体动力学的计算模型未能充分解释这种独特的、双叶状天体（被称为接触双星）的存在。其他理论则需要独特的事件或罕见的现象，这与这些天体并不像以前认为的那样罕见的事实相悖。据估计，大约每10个星子中就有1个是接触双星，这要求一个更常见和普遍适用的形成机制。这种差异凸显了我们对行星基本构成块如何形成的理解存在重大空白。
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在一项突破性进展中，密歇根州立大学（MSU）的研究人员认为他们找到了答案。在地球与环境科学教授塞斯·雅各布森的指导下，研究生杰克逊·巴恩斯带领团队开发了新的模拟。与之前的模拟不同，这些模拟专注于引力坍缩过程，利用了密歇根州立大学网络赋能研究所以（ICER）的高性能计算能力。这种新方法在解开阿罗科斯之谜方面被证明是关键。
为了充分理解这些发现，有必要将它们置于太阳系形成的更广阔叙事中。柯伊伯带通常被认为是宇宙的罗塞塔石碑，它保存着我们太阳和行星形成过程中遗留下来的原始物质。当太阳从经历引力坍缩的气体和尘埃云中凝聚后，剩余的物质沉积在一个巨大的、旋转的原行星盘中。在这个盘内，尘埃颗粒和鹅卵石开始缓慢吸积，形成更大的天体，即星子——行星的基本构成块。
根据密歇根州立大学团队的模拟，星子在相对年轻且受原行星盘旋转影响的情况下，可能会被盘的旋转力轻轻地拉开。这些力不是将它们粉碎，而是使星子形成两个独立但受引力束缚的、相互绕行的天体。这种“温和”的过程是关键，因为它允许天体在不变形或破裂的情况下分离。
在漫长的天文时间尺度上，引力相互作用，以及可能来自周围气体和尘埃的阻力，将导致这两个分离天体的轨道缓慢地向内螺旋。最终，它们将发生“温和接触”，融合在一起形成一个单一的双叶状天体——一个接触双星。至关重要的是，这种温和的合并使它们能够基本保留其原始的、通常是球形的形状，这解释了阿罗科斯相对光滑的表面以及缺乏明显的撞击痕迹。
这些计算模型为接触双星的形成提供了第一个完全一致的物理学解释。模拟不仅成功地再现了阿罗科斯独特的雪人状轮廓，而且还展示了一种现实的场景，即这种天体可以定期形成。正如雅各布森教授在密歇根州立大学新闻发布会上解释的那样：“如果我们认为10%的星子是接触双星，那么形成它们的过程就不可能是罕见的。引力坍缩与我们观察到的情况非常吻合。”
这些结果还解决了另一个谜团：考虑到宇宙中碰撞丰富的环境，这些脆弱的接触双星是如何在数十亿年间保持完好的？密歇根州立大学的模型表明，这些双星可以在很大程度上避免与其他天体的破坏性碰撞，这解释了为什么包括阿罗科斯在内的大多数双星都没有明显的陨石坑迹象。这证实了科学家们长期以来怀疑但未能通过经验验证的事情。
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巴恩斯和他的同事们继续他们的工作，开发新的模拟以更好地模拟引力坍缩过程。他们的最终目标是帮助预测可能在太阳系外围发现的其他“奇特天体”的形成，从而进一步拓展我们对行星体如何形成的理解。这项研究不仅解决了特定的宇宙之谜，还完善了我们关于行星及其构成块如何起源的基本模型。
他们的开创性研究，题为“引力坍缩直接形成接触双星星子”，发表在著名的《皇家天文学会月报》（MNRAS）上，标志着天体物理学的一个重大进展。
