Proč je Sluneční soustava plná „vesmírných sněhuláků“

Když sonda New Horizons prolétla na přelomu let 2018 a 2019 kolem objektu Arrokoth, poprvé jsme se zblízka podívali na svět ve tvaru sněhuláka — dvě spojené koule, jemně přitisknuté do trvalého objetí. Arrokoth se stal ikonou okraje Sluneční soustavy a symbolem záhady: proč je podobných „sněhuláků“ tolik? Nová počítačová studie navrhuje překvapivě jednoduchý mechanismus, který vysvětluje nejen to, proč existují, ale i proč vydrží prakticky beze změny miliardy let.

Na první pohled by se mohlo zdát, že jde o náhodu: dvě tělesa se srazila a spojila. Jenže ve vzdálených končinách Kuiperova pásu, kde sluneční světlo jen stěží prosvítá a srážek je málo, se „náhody“ musí řídit velmi přesnými pravidly. Odpověď leží v raném dětství Sluneční soustavy a v tom, jak se z drobných prachových zrnek a „oblázků“ skládaly první stavební kameny planet, takzvané planetesimály.

Sněhuláci za Neptunem: co vlastně vidíme

Kontakt­ní binární těleso je kosmické duo, které se dotýká pouze jedním „švem“ — dvě součásti se kdysi gravitačně svázaly, pomalu se k sobě spirálovitě přiblížily a nakonec se natolik ztišily, že se nesrazily destruktivně, ale jen se „přilepily“. Arrokoth je školní ukázka: jeho laloky mají různé velikosti, vztahuje se k němu minimální rychlost dosednutí a povrch nese stopy dávného klidného formování. Podrobnosti o tomto tichém světě můžete najít v přehledu NASA věnovaném Arrokothu, včetně snímků ze sondy New Horizons (NASA: Arrokoth).

Podobné objekty se soustřeďují v Kuiperově pásu — obrovské „mrazničce“ za drahou Neptunu, kde se od dob vzniku Sluneční soustavy dochovaly ledové archivy raného materiálu. Kuiperův pás není jen skladištěm komet; je to laboratoř, v níž lze číst historii formování planet přímo z tvarů a struktur těchto prastarých těles (NASA: Kuiperův pás).

Od vloček k planetesimálám: co udělá gravitace s „oblázkovým mrakem“

Jak ale vznikne samotná planetesimála? Dnešní představa je překvapivě „pozemská“: podobně jako když se na chodníku slepují vločky do sněhových kuliček, i v protoplanetárním disku mladého Slunce se prach a led srážel do milimetrových až centimetrových zrn, kterým planetologové říkají „oblázky“. V hustších oblastech disku se tyto oblázky gravitačně a aerodynamicky shlukují do mraků, které se vlastní vahou zhroutí a vytvoří první pevná tělesa — planetesimály. Tento scénář, známý jako pebble accretion, dnes patří k hlavním vysvětlením toho, jak mohly planety vzniknout tak rychle a efektivně, jak vyplývá z astronomických pozorování mladých hvězdných soustav (Annual Review: pebble accretion).

Klíčové přitom je, že mrak oblázků není dokonale tuhý objekt. Je to dynamická směsice částic, která rotuje, třídí se podle velikostí a hustot, vytváří lokální shluky a vrstvy. Když takový mrak kolabuje, může se chovat mnohem pestřeji, než když si matematicky pomůžeme „zkratkou“ a nahradíme jej jednou ideální koulí. A právě zde se rodí „sněhuláci“.

Nové simulace: planetesimály jako mračna, ne dokonalé koule

Čerstvá studie popsaná na Space.com si dala za cíl obejít zjednodušení, které v modelování přetrvávalo: místo aby vědci spojovali srážející se koule, nechali v simulacích vznikat planetesimály z tisíců až milionů částic, jež se navzájem dotýkají, třou a proplétají, jako byste pozorovali hrst drobných korálků sypanou do rotující misky. Výsledek? Při některých počátečních podmínkách se mrak nezhroucil do jediné koule, ale rozpadl se na dvě tělesa, která se vzájemně gravitačně svázala a vytvořila binární soustavu. Díky slabému tření a postupné výměně momentu hybnosti se dvojice během velmi dlouhé doby spirálovitě přiblížila, až se jemně dotkla a splynula do „kontakt­ního binárního tělesa“ — tedy sněhuláka (Space.com: Vesmírní sněhuláci).

Tentýž mechanismus přitom přirozeně produkuje i jiné tvary: zploštělé „placičky“, podlouhlá „cigára“ nebo vícelalokové objekty. Rozhoduje o tom několik málo parametrů — rychlost rotace mraku, rozdělení velikostí částic, jejich vzájemná soudržnost a to, jak rychle systém dokáže ztrácet energii, například prostřednictvím mikroskopických srážek a tření. Není to tedy jeden trik pro sněhuláky a jiný pro „placičky“: jde o kontinuum tvarů plynoucí ze stejné fyziky kolapsu oblázkového mraku.

Když spojení není srážka: jemné dosednutí místo destrukce

V běžné představě srážky v kosmu znamenají výbuchy, krátery a rozlámané bloky. V Kuiperově pásu ale hraje čas a chlad v náš prospěch: rychlosti jsou tak malé a hustoty objektů tak nízké, že „kontakty“ připomínají spíš dotek dvou pomerančů v košíku než náraz dvou koulí na bowlingu. Nízké relativní rychlosti znamenají, že hmota se v místě styku neroztaví ani nezničí, ale postupně se zámkuje — podobně jako když dvě hrsti mokrého sněhu přitlačíte k sobě. Právě takové jemné doteky už dříve naznačily i analýzy snímků z New Horizons, které zachytily Arrokoth jako svět s vyhlazeným „krkem“ mezi laloky a jen minimem deformací způsobených rychlými impakty (NASA: svět tvaru sněhuláka).

Že takové spojení může přetrvat miliardy let, souvisí se samotnou povahou periferie Sluneční soustavy. Vnitřní planety prožily bouřlivé období srážek a přeskupování; na okraji systému je však „kosmická doprava“ řídká. Jakmile se vytvoří stabilní kontakt, nic jej neruší — žádné časté průlety velkých těles, žádné husté proudy planetek. Sněhuláci tak zůstávají v podstatě fosiliemi doby, kdy se teprve skládaly první kostry budoucích planet.

Kolik je „sněhuláků“ a proč to záleží

Odhady hovoří o tom, že zhruba deset až pětadvacet procent planetesimál v Kuiperově pásu může mít charakter kontakt­ních binárních těles. To je vysoký podíl — a důležitý test pro jakýkoli teoretický model. Nové simulace sice produkovaly taková tělesa o něco méně často, než naznačují pozorování, ale pokrývaly jen omezený rozsah velikostí částic a hustot. Jakmile se v modelech rozšíří „repertoár“ dostupných zrnek a jejich směsí, může se statistika výrazně pohnout směrem k realističtějšímu podílu. Věda je v tomto ohledu iterativní: modely se učí z pozorování a pozorování inspirují přesnější modely.

Navíc, to, co skutečně „vidíme“, je vždy zkresleno možnostmi našich teleskopů a misí. Větší, jasnější a kontrastnější objekty mají větší šanci na odhalení a detailní studium. Jakmile ale získáme lepší data — ať už z budoucích průletů, nebo z pozemských observatoří nové generace — může se ukázat, že škála tvarů a poměrů je ještě pestřejší a že podíl sněhuláků se liší podle průměru, složení či vzdálenosti od Slunce.

Jak se rodí tvary: čtyři proměnné, které dělají rozdíl

Užitečné je uvažovat o sněhulácích ne jako o výjimce, ale jako o přirozeném výsledku několika jednoduchých proměnných. Které to jsou?

• Rychlost rotace oblázkového mraku: vyšší rotace favorizuje rozpad na dvě či více „zárodečných“ shluků, které pak tvoří binární nebo vícenásobné systémy.
• Distribuce velikostí částic: směs „mouky a kuliček“ se chová jinak než rovnoměrný písek; větší rozptyl velikostí zvyšuje šanci na vznik propletených struktur a zámků.
• Soudržnost a tření: slabé elektrostatické síly a mechanické „zasekávání“ nerovností mohou významně zpomalit disperzi a pomoci při jemném spojení.
• Ztráta energie: v prostředí s nízkou hustotou plynu a prachu je každá cesta k odvodu energie klíčová; mikrosrážky a tření pomáhají dvojicím zmenšit oběžnou dráhu až k doteku.

Tato čtveřice faktorů není vyčerpávající, ale stačí k tomu, aby jeden výpočetní rámec přirozeně generoval jak kulové, tak ploché, podlouhlé i dvoulalokové tvary — bez nutnosti „lepit“ je ex post kolizemi.

Co nám sněhuláci říkají o vzniku planet

Na první pohled jde „jen“ o tvary, ale jejich význam je hlubší. Pokud se sněhuláci tvoří snadno a často, znamená to, že oblázkové mraky v raném disku měly dostatek času a vhodné podmínky pro vznik binárních zárodků. To podporuje tezi, že planetární stavebnice nebyla chaotickou kolizní řežbou, nýbrž relativně hladkou a rychlou fází shluku a kolapsu. V důsledku se tak lépe vysvětluje, jak mohly vzniknout obří planety v relativně krátkém časovém okně, které jim akreční disky poskytují.

Zároveň tvar a poloha „krku“ mezi laloky mohou prozradit, jak probíhala rotace před spojením a jak materiál sedal v závěrečné fázi. Geometrie kontaktu je v jistém smyslu fosilní záznam dynamiky, podobně jako vrstvy v ledovci prozrazují staré klima.

Trvanlivost v mrazu: proč sněhuláci vydrží miliardy let

Někomu může vrtat hlavou, proč se tak křehce vypadající struktury nerozpadnou. Odpověď je vícerozměrná. Za prvé, mechanická pevnost ledu a zmrzlé směsi prachu a organiky je v hlubokém mrazu vyšší, než bychom čekali ze zkušenosti s pozemským sněhem. Za druhé, v Kuiperově pásu je málo rušivých vlivů — nízká četnost srážek a slabý ohřev znamenají, že se vnitřní napětí a teplotní cykly vyvíjejí jen velmi pomalu. Za třetí, jakmile se dvojice dotkne a materiál v „krku“ mírně přeuspořádá, vznikne pevná, byť nehomogenní vazba, kterou rovnoměrně drží gravitace obou laloků. V součtu jde o spolehlivý recept na extrémní dlouhověkost.

Víc než páry? Možné trojité a násobné systémy

Simulace, které uvažují realističtější, částicový obraz oblázkových mraků, otevírají dveře i dalším scénářům: není nic, co by zásadně bránilo vzniku tří nebo více „zárodečných“ těles v jednom kolabujícím mraku. Takové vícenásobné systémy by se mohly po čase přeskupit, některé složky by mohly být vyhozeny a jiné postupně splynout. Dnešní „sněhulák“ tak klidně mohl mít bouřlivější mladší sourozence, než se jeho rodinné drama uklidnilo.

Jak to otestujeme: mise, teleskopy a data

Co může tuto hypotézu potvrdit nebo vyvrátit? Dvě cesty vedou vpřed. První jsou další průlety kolem objektů Kuiperova pásu, ideálně se záměrem porovnat tvary, velikostní poměry a povrchové znaky napříč více zástupci. Už Arrokoth ukázal, jak jeden cíl dokáže přepsat učebnice, a další podobně cílená mise by mohla představovat statistickou revoluci — místo jedné výjimky by poskytla vzorek celého „kmenového“ stromu tvarů. Druhou cestou jsou pokroky v pozemních observatořích, které dokážou z okultací hvězd určit hrubé tvary menších a vzdálenějších těles. Kombinace těchto metod může zodpovědět statistické otázky, které jeden průlet nikdy nevyřeší sám.

Analogická zkratka: miska korálků, dvě ruce a gravitace

Jestli si chcete představu odnést domů, zkuste si myšlenkový experiment. Nasypte do misky hrst korálků různých velikostí. Začněte miskou lehce kývat — některé kuličky se spojí do dvojic a trojic, jiné se rozlétnou. Pokud budete pohybovat moudře a pomalu snižovat energii soustavy, vytvoří se kompaktnější skupinky. To, co děláte rukama, zařídí v kosmu gravitace, tření a čas. A někdy, když se sejde správná rychlost, rozdělení velikostí a „pohyb“, dvě skupinky se k sobě přitulí. Výsledek? Malý sněhulák uprostřed misky.

Proč na tom záleží i mimo astronomii

Možná se zdá, že detaily o tvaru ledových těles na okraji Sluneční soustavy jsou čistou kuriozitou. Ale skrytě se dotýkají otázky, kterou si klade každá civilizace: kde a jak často vznikají světy, které mohou nést oceány, atmosféry a nakonec život. Jestliže je tvorba planetesimál hladká a robustní a „sněhuláci“ jsou přirozeným produktem základních fyzikálních procesů, posiluje to představu, že i jinde ve vesmíru se rodí planety s podobnou lehkostí. A to je optimistická zpráva.

Pro dnešek tedy platí: „vesmírní sněhuláci“ nejsou jen roztomilá přezdívka, ale výsledek elegantní fyziky, která spojuje jednoduché stavební kameny do mnohotvárných kosmických soch. Každý z nich je zkamenělou vzpomínkou na okamžik, kdy z chaosu prachu a ledu povstaly první pevné tvary — a s nimi i ambice Sluneční soustavy stát se domovem planet.