Tentar entender a composição e a evolução do cinturão de Kuiper do sistema solar tem mantido os pesquisadores ocupados desde que a hipótese foi levantada logo após a descoberta de Plutão em 1930. Em particular, pares binários de objetos ali são úteis como indicadores, já que sua existência hoje pinta um quadro de quão energética ou violenta foi a evolução do sistema solar em seus primórdios, quatro bilhões de anos atrás.

Observando de perto a evolução de um objeto binário ultralargo (em separação), os pesquisadores incluíram mais física que revela muito sobre sua arquitetura e desdobramento. Eles descobriram que esses binários ultralargos podem não ter sido formados no sistema solar primordial como se pensava. Seu trabalho foi publicado na Nature Astronomy.

"Nos confins do sistema solar, existe uma população de sistemas binários tão amplamente separados que pareceu valer a pena investigar se eles poderiam sobreviver 4 bilhões de anos sem serem [completamente] separados de alguma forma", disse Hunter M. Campbell, da Universidade de Oklahoma, nos EUA.

O cinturão de Kuiper é a região em forma de toro do sistema solar que contém planetesimais e corpos menores que sobraram da formação do sistema solar. Ele começa aproximadamente na órbita de Netuno, que tem uma média de 30 unidades astronômicas (UAs) do sol, e se estende até cerca de 55 UA, inclinado dentro de 10° do plano eclíptico da Terra.

Mais massivo que o cinturão de asteroides de 20 a 200 vezes, ele consiste em pequenos remanescentes da formação do sistema solar — a maioria são voláteis gelados compostos de moléculas como metano, amônia e água. Dentro dele estão os planetas anões Plutão, Eris, Orcus e mais. Acredita-se que existam mais de 100.000 objetos do cinturão de Kuiper com mais de 100 km de diâmetro.

Os Objetos Clássicos Frios do Cinturão de Kuiper, em um subconjunto do Cinturão de Kuiper, são uma classe de pequenos corpos com órbitas não perturbadas além da órbita de Netuno; esses objetos são primitivos e preservam informações sobre a formação do sistema solar. Eles nunca migraram, pois Netuno migrou para fora do sol durante o início do sistema solar. Esta região tem a maioria dos binários ultralargos (UWBs) — quase um terço dos objetos nesta região são binários, gravitacionalmente ligados a outro objeto, e vários por cento deles são binários ultralargos (UWBs), com diâmetros de objeto de aproximadamente 100 km, mas separados por dezenas de milhares de quilômetros.

"Muitos trabalhos no passado examinaram a evolução binária como impulsionada por colisões com corpos que passam", disse Campbell. "Nosso trabalho examina a evolução impulsionada por perturbações gravitacionais."

Apesar de sua raridade e de sua suscetibilidade à perturbação, os UWBs atuais têm sido utilizados para restringir sua distância mínima de Netuno no início do sistema solar e o número aproximado de objetos transnetunianos (TNOs) com quilômetros de tamanho no atual cinturão de Kuiper.

No entanto, foi implicitamente assumido que a arquitetura dos UWBs, com seu amplo espaçamento, veio do sistema solar primordial. Mas Campbell e sua equipe se perguntaram se originalmente poderia ter havido objetos binários fortemente ligados que, por meio de colisões com TNOs ao longo dos éons, perderam parte de seu controle um sobre o outro e, embora ainda ligados, tiveram sua separação evoluindo para ultralarga.

Entretanto, estudos mostraram que o número de TNOs que passam ou impactam no moderno cinturão de Kuiper é muito pequeno para produzir significativamente a população de UWBs .

À medida que Netuno migrou para longe do Sol (de 24 para 30 UA), alguns desses objetos se difundiram dinamicamente até começarem a interagir fortemente com os planetas gigantes externos do sistema solar, quando foram ejetados do sistema solar ou presos na nuvem de Oort.

Acredita-se que cerca de 99 a 99,9% dos planetesimais do cinturão primordial sejam ejetados do dinâmico Cinturão de Kuiper, objetos que se formaram muito mais perto do sol e migraram para suas órbitas atuais conforme eram empurrados para fora por Netuno. Como um objeto afetado do cinturão primordial leva pelo menos 10 milhões de anos para ser removido, Campbell e seus colegas se perguntaram se incluir os muitos cruzamentos clássicos frios do cinturão de tais TNOs perturbados poderia ser substancialmente maior do que o inferido a partir de observações modernas, o que exporia binários a maiores perturbações gravitacionais.

Foi isso que sua simulação da evolução do cinturão de Kuiper encontrou. Os UWBs parecem não ser primordiais, então eles não podem restringir o sistema solar inicial como se pensava.

"A partir de nossas descobertas, parece que essas perturbações são bastante significativas, a ponto de essas binárias amplas provavelmente não terem sobrevivido por muito tempo", disse Campbell.

"Mas as perturbações também são capazes de criar mais desses binários amplos, afastando lentamente binários inicialmente mais estreitos e estáveis até que se tornem amplos."

Ao submeter os binários iniciais a quatro bilhões de anos de sobrevoos desses diferentes caminhos de TNO, eles descobriram que "a ampliação de binários de TNO mais estreitos em arranjos UWB não era incomum em nossas simulações".

Eles calculam que as passagens de TNO ampliariam até 10% de binários moderadamente estreitos em UWBs ao longo do período de 4 bilhões de anos do sistema solar. Mas o resultado não se mantém para binários mais estreitos.

"À medida que mais binários do cinturão de Kuiper são descobertos e temos uma noção melhor da ampla população binária, podemos reduzir as restrições sobre a evolução do cinturão de Kuiper e dos planetas gigantes que o impulsionaram", disse Campbell.

Como discos KB semelhantes foram vistos em outros sistemas estelares , "se soubermos mais sobre como o nosso se formou, poderemos aprender um pouco mais sobre como os outros se formaram e fazer algumas suposições sobre quais outros planetas podem estar escondidos lá, que são muito difíceis de ver de outra forma".