Arrokoth: Einzigartiger Zeuge des primitiven Sonnennebels

Arrokoth: Objekt des Kuipergürtels

Ein eisiger Bewohner der äußeren Regionen des Sonnensystems

Arrokoth ist ein transneptunisches Objekt (TNO) im Kuipergürtel, einer Region jenseits von Neptun, die von eisigen Objekten wie Pluto, Haumea, Albion oder Varuna bevölkert wird. Es gehört zur Population der sogenannten "kalten Klassiker" (cold classicals), den dynamisch am wenigsten gestörten Objekten des Sonnensystems. Seine relativ kreisförmige Umlaufbahn befindet sich etwa 44,6 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, das sind etwa 6,7 Milliarden Kilometer. Seine Umlaufzeit um die Sonne beträgt etwa 298 Jahre.

N.B.:
Arrokoth bedeutet "Himmel", ein Wort aus der Sprache der Powhatan (einem indigenen Volk aus der Region Virginia, USA). Der Begriff "Ultima" stammt vom lateinischen ultima, was "der Fernste" oder "das Äußerste" bedeutet. In der klassischen Literatur war "Thule" eine legendäre Insel, die im äußersten Norden der bekannten Welt verortet wurde und oft mit der Vorstellung eines ultrawiten oder geheimnisvollen Ortes verbunden ist. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass Arrokoth zum Zeitpunkt seiner Entdeckung das am weitesten entfernte Objekt war, das jemals erforscht wurde.

Eine Entdeckung, die durch das Hubble-Weltraumteleskop ermöglicht wurde

Arrokoth wurde am 26. Juni 2014 vom Astronomen Marc Buie, einem Mitglied des New Horizons-Teams, mit der Weitfeldkamera des Hubble-Weltraumteleskops entdeckt. Diese Entdeckung war Teil einer gezielten Suche, um ein Objekt im Kuipergürtel zu identifizieren, das für die Sonde nach ihrem Vorbeiflug an Pluto im Jahr 2015 erreichbar war, da das Objekt zu schwach (scheinbare Helligkeit etwa 27) war, um von erdgebundenen Teleskopen entdeckt zu werden. Zunächst mit dem provisorischen Code 2014 MU69 bezeichnet und inoffiziell "Ultima Thule" getauft, erhielt das Objekt im November 2019 seinen offiziellen Namen Arrokoth. Dieser Begriff bedeutet "Himmel" in der Sprache der Powhatan/Algonquin-Indianer und ehrt die indigenen Völker der Region, in der das Hubble-Teleskop und die Sonde New Horizons gebaut wurden.

Eine rötliche Oberfläche, geformt durch kosmische Strahlung

Die Oberfläche von Arrokoth ist auf dem gesamten Objekt gleichmäßig rötlich, ein noch ausgeprägterer Farbton als bei Pluto, was auf das Vorhandensein von Tholinen zurückzuführen ist, komplexen organischen Verbindungen, die durch die Bestrahlung einfacher Verbindungen wie Methan und Ethylen entstehen. Diese Färbung deutet darauf hin, dass die Oberfläche von Arrokoth das Ergebnis chemischer Prozesse ist, die durch die kontinuierliche Einwirkung von kosmischer Strahlung und ultravioletter Strahlung aus der primitiven Weltraumumgebung verursacht wurden.

Ein erhaltener Zeuge der Entstehung des Sonnensystems

Die Beobachtungen von New Horizons deuten darauf hin, dass Arrokoth ein seit der Entstehung des Sonnensystems erhaltenes Objekt ist. Seine Oberfläche ist überraschend glatt und weist wenige Krater auf, was darauf hindeutet, dass es seit seiner Entstehung nur wenigen Kollisionen ausgesetzt war. Die Zählung der Einschlagkrater datiert das Alter seiner Oberfläche auf das Ende der Akkretionsphase der protoplanetaren Scheibe vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Diese geologisch ruhige Geschichte hat die Merkmale aus der Zeit seiner Entstehung bewahrt.

Eine sehr poröse Struktur, die auf eine sanfte Entstehung hinweist

Da Arrokoth weder einen Satelliten noch einen Ring besitzt, der nachweisbar wäre, konnte seine Masse nicht direkt durch die Gravitationseffekte während des Vorbeiflugs gemessen werden. Sie wird daher aus indirekten geophysikalischen Zwängen geschätzt, insbesondere aus dem Widerstand seines zentralen "Halses" gegen Kompression: Die Modelle konvergieren zu einer Referenzdichte von etwa 0,235 g/cm³, mit einer allgemein angegebenen Spanne zwischen 0,2 und 0,5 g/cm³ je nach den verwendeten Annahmen. Dieser Wert, der weit unter dem von Wasser liegt und mit dem eines Gesteins (2,5 bis 3 g/cm³) nicht vergleichbar ist, entspricht einer inneren Porosität, die etwa 90 % erreichen kann. Eine solche Struktur weist auf eine Entstehung unter Bedingungen sehr geringer Energie hin und verstärkt die Hypothese einer sanften Akkretion im primitiven Sonnennebel.

Arrokoth: Kontaktbinäres Objekt

Zwei abgeflachte Lappen für einen neu bewerteten "Schneemann"

Arrokoth besteht aus zwei unterschiedlichen Lappen, die durch einen schmalen, hellen "Hals" verbunden sind, was dem Objekt auf den ersten Bildern das Aussehen eines "Schneemanns" verlieh. Das gesamte Objekt ist etwa 36 km lang, etwa 20 km breit und kaum 10 km dick. Der größere Lappen, während des Vorbeiflugs "Ultima" genannt und offiziell Wenu getauft, misst etwa 21 × 20 × 9 km. Der kleinere Lappen, "Thule" genannt und dann Weeyo benannt, misst etwa 15 × 14 × 10 km.

N.B.:
Die allerersten Bilder des Vorbeiflugs, die aus der Ferne aufgenommen wurden, ließen vermuten, dass die beiden Lappen annähernd kugelförmig seien. Eine weitergehende Analyse, die 2020 anhand von Bildern veröffentlicht wurde, die New Horizons nach seiner größten Annäherung aufgenommen hatte – insbesondere Aufnahmen, bei denen Arrokoth Hintergrundsterne verdeckte – zeigte, dass die beiden Lappen tatsächlich deutlich abgeflacht sind, ähnlich wie zwei Kieselsteine, und nicht wie zwei Schneebälle.

Sanfte Akkretion als Ursprung seiner binären Struktur

Arrokoth ist ein Beispiel für ein Kontaktbinärsystem, das entsteht, wenn zwei verschiedene Objekte bei sehr geringer Geschwindigkeit "zusammenkleben", wahrscheinlich in der Größenordnung von wenigen Kilometern pro Stunde. Diese sanfte Entstehung steht im Gegensatz zu den gewaltsamen Kollisionen, die viele andere Objekte im Sonnensystem formen.

Entstehungsmodelle deuten darauf hin, dass diese sanfte Akkretion im primitiven Sonnennebel stattfand, wahrscheinlich durch den gravitativen Kollaps einer Wolke aus zentimetergroßen "Kieselsteinen" (pebbles). Die Daten von New Horizons zeigen, dass die Rotationsachsen der Lappen von Arrokoth fast perfekt ausgerichtet sind, was darauf hindeutet, dass sie sich getrennt voneinander, aber über einen langen Zeitraum in enger Umlaufbahn umeinander befanden, bevor sie verschmolzen, anstatt sich einfach durch Zufall "getroffen" zu haben. Diese Konfiguration ist mit einer sehr geringen Aufprallenergie vereinbar und verstärkt die Idee einer Entstehung in einer wenig turbulenten Umgebung, lange vor dem Kollaps der primitiven Wolke.

Oberflächenzusammensetzung: Methanoleis und komplexe Organika

Methanoleis nachgewiesen, aber kein Wassereis

Die spektroskopische Analyse der Oberfläche von Arrokoth durch die Instrumente von New Horizons ergab das Vorhandensein von Methanoleis (CH₃OH), das an seinen charakteristischen Absorptionssignaturen um 2,27 und 2,34 Mikrometer identifizierbar ist, verbunden mit komplexen organischen Materialien, die wahrscheinlich aus der Bestrahlung einfacher Eise stammen. Bemerkenswerterweise wurde auf der Oberfläche keine Signatur von Wassereis nachgewiesen, obwohl dieses ein häufiger Bestandteil vieler anderer eisiger Objekte im Sonnensystem ist. Diese Zusammensetzung deutet auf eine Hydrierung von kohlenmonoxidreichen Eismaterialien und eine energetische Verarbeitung von kondensiertem Methan auf Eiskörnern in der extrem kalten Umgebung des äußeren protoplanetaren Scheibe hin.

Eine extreme Oberflächentemperatur

Radiometrische Messungen von New Horizons auf der Nachtseite von Arrokoth ergaben eine durchschnittliche Strahlungstemperatur von etwa 29 ± 5 Kelvin, das sind etwa -244 °C, was mit der sehr weit entfernten Position des Objekts im Sonnensystem übereinstimmt.

Arrokoth: Erhaltenes primitives Objekt

Eine Zeitkapsel des Sonnennebels

Arrokoth gilt als ein primitives Objekt, das seit der Entstehung des Sonnensystems erhalten ist. Die Untersuchung seiner physikalischen Eigenschaften bietet ein einzigartiges Fenster zu den Anfangsbedingungen des Sonnennebels. Im Gegensatz zu anderen Objekten, die erheblichen Veränderungen unterzogen wurden, ist Arrokoth relativ unverändert geblieben, was es für Wissenschaftler besonders wertvoll macht.

Ein natürliches Labor zur Erforschung der Planetesimal-Entstehung

Die bemerkenswerten Eigenschaften von Arrokoth liefern wertvolle Informationen über die Entstehungsprozesse und die Entwicklung kleiner Körper, die durch ihre fortschreitende Aggregation zur Bildung größerer Körper, den sogenannten Planetesimalen, beigetragen haben. Arrokoth bleibt bis heute das am weitesten entfernte und primitivste Objekt, das jemals aus der Nähe von einer Raumsonde erforscht wurde.