在海王星之外的遥远区域，在柯伊伯带的冰冻深处，许多古老天体奇特得如同由冰与岩石构成的巨大雪人。多年来，科学家们一直困惑于这些脆弱的双瓣结构如何形成，同时避免因剧烈撞击而撕裂。如今，密歇根州立大学的研究人员通过强大的新型模拟再现了这一过程，证明单纯的引力坍缩便能自然造就这些宇宙"雪人"。
在火星和木星之间混乱的小行星带之外，是更遥远的柯伊伯带。这个位于海王星之外的区域充满了太阳系早期形成的冰冻 remnants。这些原始天体被称为星子，是行星形成过程中留下的"积木块"。其中约有10%的天体被归类为接触双星，这意味着它们由两个连接在一起的瓣状结构组成，外观形似雪人。直到最近，科学家们还不清楚这类结构是如何自然形成的。
新模拟支持引力坍缩理论
杰克逊·巴恩斯是密歇根州立大学的一名研究生，他开发出了首个能够通过引力坍缩自然产生这种双瓣结构的计算机模拟程序。他的研究成果发表在《皇家天文学会月报》上。
以往的计算机模型通过将碰撞天体视为会融合成光滑球体的流体质量，从而简化了撞击过程。这一假设阻碍了研究人员重现接触双星中特有的两瓣形状。利用密歇根州立大学网络赋能研究研究所的高性能计算集群，巴恩斯创建了一个更真实的数字环境。在他的模型中，形成中的天体保留了自身的结构强度，这使得它们能够彼此接触靠拢，而非合并成一个单一的球体。
一些早期的解释依赖于罕见的宇宙事件或特殊条件。虽然这些情况是可能发生的，但它们很难解释为何这类天体相对常见。
"如果我们认为有10%的星子天体是接触双星，那么形成它们的过程就不可能罕见，"该论文的资深作者、地球与环境科学教授塞思·雅各布森说。"引力坍缩与我们观测到的情况非常吻合。"
NASA新视野号与柯伊伯带
当美国宇航局的新视野号探测器在2019年1月拍摄到一张接触双星的近距离图像时，这类天体引起了广泛关注。这些图像促使科学家们更仔细地检查了柯伊伯带中的其他天体，结果显示大约每十个星子中就有一个拥有这种形状。在人烟稀少的柯伊伯带，这些遥远的天体在漂流过程中经历的碰撞相对较少，使得它们脆弱的结构得以幸存。
柯伊伯带本身是早期银河系的遗迹，那时的银河系还是一个旋转的气体和尘埃盘。那些古老物质至今仍留存于这片区域，包括像冥王星这样的矮行星、彗星以及无数的星子。
星子如何形成与合并
星子是早期从环绕年轻太阳旋转的尘埃和卵石盘中形成的首批较大天体之一。就像雪花聚在一起形成雪球一样，微小的粒子在引力的作用下被吸引到一起，形成更大的团块。
当这些旋转的云团坍缩时，它们有时会分裂成两个独立的天体，并开始相互绕转。天文学家经常在柯伊伯带观测到这样的双星子。在巴恩斯的模拟中，这对天体逐渐螺旋靠近。它们并非猛烈撞击，而是轻柔地接触并融合在一起，保留了各自圆润的形状，从而形成了我们熟悉的雪人形态。
接触双星何以幸存
一旦结合，这些天体可以完好无损地存在数十亿年。根据巴恩斯的说法，它们的长期稳定性源于再次发生撞击的概率很低。在偏远的柯伊伯带，碰撞非常罕见。没有破坏性的撞击，两个瓣状结构就不会分开。许多双星天体表面甚至几乎没有陨石坑。
尽管科学家们此前已经怀疑引力坍缩在接触双星的形成过程中发挥了作用，但以往的模型缺乏足够细致的物理学原理来彻底验证这一想法。巴恩斯的研究首次纳入了成功重现它们所必需的过程。
"我们第一次能够以一种合理的方式检验这个假设，"巴恩斯说。"这就是这篇论文令人如此兴奋的地方。"
巴恩斯认为，这个模型也可能有助于研究人员研究涉及三个或更多连接天体的更复杂系统。该团队目前正在开发一个改进的模拟程序，以更好地表现坍缩云团的行为。
随着未来NASA的任务继续探索太阳系的遥远区域，雅各布森和巴恩斯预计将会发现更多雪人形状的世界。