La forme aplatie d'Arrokoth ne peut être vue que sous un certain angle. Les premières images renvoyées par le vaisseau spatial New Horizons de la NASA ont donné l'impression d'un objet en forme de bonhomme de neige "normal". La surface d'Arrokoth est étonnamment lisse et ne présente que quelques cratères. Crédit :NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
L'objet transneptunien Arrokoth, également connu sous le nom d'Ultima Thulé, que la sonde spatiale New Horizons de la NASA est passée le jour du Nouvel An 2019, peut avoir changé de forme de manière significative au cours des 100 premiers millions d'années depuis sa formation. Dans le numéro d'aujourd'hui de la revue Astronomie de la nature , des chercheurs dirigés par l'Académie chinoise des sciences et l'Institut Max Planck de recherche sur le système solaire (MPS) suggèrent que la forme actuelle d'Arrokoth, qui ressemble à un bonhomme de neige aplati, pourrait être d'origine évolutive en raison d'un dégazage volatil. Leurs calculs aident à comprendre ce que l'état actuel des corps aux confins du système solaire peut nous apprendre sur leurs propriétés d'origine.
Les millions de corps qui peuplent la ceinture de Kuiper au-delà de l'orbite de Neptune n'ont pas encore révélé nombre de leurs secrets. Dans les années 1980, les sondes spatiales Pioneer 1 et 2 ainsi que Voyager 1 et 2 ont traversé cette région mais sans caméras à bord. Le vaisseau spatial de la NASA New Horizons a envoyé les premières images du bord le plus externe du système solaire à la Terre :à l'été 2015 de la planète naine Pluton et trois ans et demi plus tard de l'objet transneptunien Arrokoth, environ 30 kilomètres. Pas encore officiellement nommé, le corps était surnommé Ultima Thule à l'époque, en référence au point terrestre le plus septentrional de la Terre. Après tout, l'objet transneptunien est le corps le plus éloigné du Soleil qui ait jamais été visité et imagé par une sonde artificielle.
Surtout la forme étrange d'Arrokoth a fait sensation dans les jours qui ont suivi le survol. Le corps est un binaire de contact, On pense que c'est le résultat de la fusion à faible vitesse de deux corps séparés qui se sont formés à proximité l'un de l'autre. Il est composé de deux lobes reliés, dont le plus petit est légèrement aplati, le plus grand fortement donc, créant l'impression d'un bonhomme de neige écrasé. Dans leur publication actuelle, les chercheurs de Chine, Allemagne, et les États-Unis étudient comment cette forme est née. Une forme bilobée prononcée est également connue de certaines comètes. Cependant, il n'y a pas d'autre corps connu qui soit aussi plat qu'Arrokoth. Arrokoth ressemblait-il déjà à ça lors de sa création ? Ou sa forme s'est-elle développée progressivement ?
Instantanés de la simulation numérique de l'évolution de la forme de l'analogue d'Arrokoth en raison de la perte de masse due à la sublimation. La forme la plus basse est un modèle numérique de terrain dérivé des observations de New Horizon. La couleur représente les températures moyennes sur une seule orbite. Le rouge signifie chaud et le bleu pour les régions plus froides. Crédit :PMO/MPS
"Nous aimons penser à la ceinture de Kuiper comme une région où le temps s'est plus ou moins arrêté depuis la naissance du système solaire, " explique Ladislav Rezac de MPS, l'un des deux premiers auteurs de la présente publication. À plus de quatre milliards de kilomètres du Soleil, les corps de la ceinture de Kuiper sont restés gelés et inchangés, ainsi est la croyance commune. Les images d'Arrokoth de New Horizon remettent en cause cette idée par sa surface apparemment lisse sans signes d'événements de cratères fréquents et par sa particularité, forme aplatie. Les scientifiques supposent que le système solaire s'est formé il y a 4,6 milliards d'années à partir d'un disque de poussière :les particules de cette nébuleuse se sont agglomérées en amas de plus en plus gros; ces amas sont entrés en collision et ont fusionné en des corps encore plus grands. "Il n'y a pas encore d'explication sur la façon dont un corps aussi plat qu'Arrokoth pourrait émerger de ce processus, " dit Rezac.
Une autre possibilité serait qu'Arrokoth ait une forme plus ordinaire pour commencer. Il peut avoir commencé comme une fusion entre un corps sphérique et un corps aplati au moment de sa création et ne s'est aplati que progressivement. Des études antérieures suggèrent que lors de la formation du système solaire, la région où se trouve Arrrokoth aurait pu être un environnement distinct dans le froid, plan médian ombré de poussière de la nébuleuse externe. Les basses températures ont permis aux volatiles tels que le monoxyde de carbone et le méthane de geler sur les grains de poussière et de composer des planétésimaux. Lorsque la poussière nébulaire s'est dissipée après la formation d'Arrokoth, l'éclairement solaire aurait élevé sa température et donc chassé rapidement les volatiles condensés. La forme étrange d'Arrokoth serait alors un résultat naturel dû à une combinaison favorable de sa grande obliquité, faible excentricité et variation du taux de perte de masse avec le flux solaire, résultant en une érosion presque symétrique entre les hémisphères nord et sud.
"Pour qu'un corps change de forme aussi radicalement qu'Arrokoth, son axe de rotation doit être orienté d'une manière particulière, " explique Rezac. Contrairement à l'axe de rotation de la Terre, Celui d'Arrokoth est presque parallèle au plan orbital. Au cours de son orbite de 298 ans autour du Soleil, une région polaire d'Arrokoth fait face au Soleil en continu pendant près de la moitié du temps tandis que l'autre fait face au Soleil. Les régions situées à l'équateur et aux latitudes inférieures sont dominées par des variations diurnes tout au long de l'année. "C'est ce qui fait le plus chauffer les pôles, de sorte que les gaz gelés s'en échappent le plus efficacement, entraînant une forte perte de masse, " 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.
