Kuiper Gürtel - Kuiper belt

Bekannte Objekte im Kuipergürtel jenseits der Neptunbahn. (Maßstab in AU ; Epoche ab Januar 2015.)
  Sonne
  Jupiter-Trojaner
  Riesenplaneten :

  Zentauren
  Neptun-Trojaner
  Resonanter Kuiper-Gürtel
  Klassischer Kuipergürtel
  Streuscheibe
Entfernungen, aber keine Größen sind maßstabsgetreu
Quelle: Minor Planet Center , www .cfeps .net und andere

Der Kuiper Riemen ( / k p ər , k ʊ ɪ - / ) ist eine circumstellar Scheibe im äußeren Sonnensystem , die sie von der Umlaufbahn des Neptune bei 30 astronomischen Einheiten (AU) bis etwa 50 AU von der Sun . Er ähnelt dem Asteroidengürtel , ist aber weitaus größer – 20-mal so breit und 20-200-mal so massiv . Wie der Asteroidengürtel besteht er hauptsächlich aus kleinen Körpern oder Überresten aus der Entstehung des Sonnensystems . Während viele Asteroiden hauptsächlich aus Gestein und Metall bestehen, bestehen die meisten Objekte des Kuipergürtels größtenteils aus gefrorenen flüchtigen Stoffen (als "Eis" bezeichnet) wie Methan , Ammoniak und Wasser . Der Kuiper-Gürtel beherbergt drei Objekte, die von der IAU als Zwergplaneten identifiziert wurden : Pluto , Haumea und Makemake . Einige der Sonnensystems Monde , wie Neptuns Triton und Saturn ‚s Phoebe , haben in der Region entstanden.

Der Kuiper-Gürtel wurde nach dem niederländischen Astronomen Gerard Kuiper benannt , obwohl er seine Existenz nicht vorhersagte. 1992 wurde der Kleinplanet (15760) Albion entdeckt, das erste Kuipergürtel-Objekt (KBO) seit Pluto und Charon . Seit ihrer Entdeckung hat sich die Zahl der bekannten KBOs auf Tausende erhöht, und es wird angenommen, dass mehr als 100.000 KBOs mit einem Durchmesser von über 100 km (62 Meilen) existieren. Der Kuipergürtel wurde ursprünglich als Hauptlager für periodische Kometen angesehen , deren Umlaufbahnen weniger als 200 Jahre dauern. Studien seit Mitte der 1990er Jahre haben gezeigt, dass der Gürtel dynamisch stabil ist und dass der wahre Ursprungsort der Kometen die Streuscheibe ist , eine dynamisch aktive Zone, die vor 4,5 Milliarden Jahren durch die Auswärtsbewegung von Neptun geschaffen wurde; Streuscheibenobjekte wie Eris haben extrem exzentrische Umlaufbahnen, die sie bis zu 100 AE von der Sonne entfernt führen.

Der Kuiper-Gürtel unterscheidet sich von der theoretischen Oortschen Wolke , die tausendmal weiter entfernt und meist kugelförmig ist. Die Objekte innerhalb des Kuiper-Gürtels werden zusammen mit den Mitgliedern der Streuscheibe und allen möglichen Hills- oder Oort-Wolkenobjekten zusammen als transneptunische Objekte (TNOs) bezeichnet. Pluto ist das größte und massivste Mitglied des Kuiper-Gürtels und das größte und zweitmassivste bekannte TNO, das nur von Eris in der Streuscheibe übertroffen wird. Ursprünglich als Planet angesehen, führte sein Status als Teil des Kuiper-Gürtels dazu, dass Pluto 2006 als Zwergplanet neu klassifiziert wurde. Er ähnelt in seiner Zusammensetzung vielen anderen Objekten des Kuiper-Gürtels und seine Umlaufzeit ist charakteristisch für eine Klasse von KBOs, bekannt als " Plutinos ", die die gleiche 2:3- Resonanz mit Neptun teilen .

Der Kuipergürtel und Neptun können als Marker für die Ausdehnung des Sonnensystems angesehen werden, Alternativen sind die Heliopause und die Entfernung, in der der Gravitationseinfluss der Sonne mit dem anderer Sterne übereinstimmt (geschätzt zwischen50 000  AE und125 000  AE ).

Geschichte

Pluto und Charon

Nach der Entdeckung von Pluto im Jahr 1930 spekulierten viele, dass es nicht allein sein könnte. Die Region, die heute Kuipergürtel genannt wird, wurde jahrzehntelang in verschiedenen Formen vermutet. Erst 1992 wurden die ersten direkten Beweise für seine Existenz gefunden. Die Anzahl und Vielfalt früherer Spekulationen über die Natur des Kuipergürtels haben zu anhaltender Unsicherheit darüber geführt, wer als erster Vorschlag Anerkennung verdient.

Hypothesen

Der erste Astronom , der die Existenz einer transneptunischen Population vorschlug, war Frederick C. Leonard . Bald nach der Entdeckung von Pluto durch Clyde Tombaugh im Jahr 1930 überlegte Leonard, ob es "nicht wahrscheinlich war, dass in Pluto der erste einer Reihe von ultra-neptunischen Körpern ans Licht gekommen ist, von denen die verbleibenden Mitglieder noch auf ihre Entdeckung warten, die aber schließlich bestimmt sind". zu erkennen". Im selben Jahr schlug der Astronom Armin O. Leuschner vor, dass Pluto "eines von vielen noch zu entdeckenden Planetenobjekten mit langer Periode sein könnte".

Astronom Gerard Kuiper , nach dem der Kuiper-Gürtel benannt ist

Im Jahr 1943 im Journal der British Astronomical Association , Kenneth Edgeworth die Hypothese aufgestellt , dass in der Region jenseits Neptun , das Material innerhalb des ursprünglichen solaren Nebels war zu weit zu kondensieren Abstand zu Planeten, und so eher in eine Vielzahl von kleineren Körpern kondensiert. Daraus schloss er, dass „der äußere Bereich des Sonnensystems, jenseits der Umlaufbahnen der Planeten, von einer sehr großen Zahl vergleichsweise kleiner Körper eingenommen wird“ und dass von Zeit zu Zeit einer von ihnen „von seinen eigenen wandert“. Kugel und erscheint als gelegentlicher Besucher des inneren Sonnensystems", wird ein Komet .

Im Jahre 1951 in einem Papier in Astrophysik: Ein Topical Symposium , Gerard Kuiper spekuliert auf eine ähnliche Scheibe in der Entwicklung des Sonnensystems früh gebildet zu haben, aber er glaubte nicht , dass ein solcher Gürtel heute noch existiert. Kuiper ging von der zu seiner Zeit üblichen Annahme aus, dass Pluto die Größe der Erde hatte und diese Körper daher in Richtung der Oortschen Wolke oder aus dem Sonnensystem verstreut hatte . Wäre Kuipers Hypothese richtig, gäbe es heute keinen Kuipergürtel.

Die Hypothese nahm in den folgenden Jahrzehnten viele andere Formen an. 1962 postulierte der Physiker Al GW Cameron die Existenz "einer enormen Masse kleinen Materials am Rande des Sonnensystems". 1964 dachte Fred Whipple , der die berühmte Hypothese des „ schmutzigen Schneeballs “ für die Kometenstruktur populär machte , dass ein „Kometengürtel“ massiv genug sein könnte, um die angeblichen Diskrepanzen in der Umlaufbahn von Uranus zu verursachen , die die Suche nach Planet X ausgelöst hatten , oder , zumindest massiv genug, um die Bahnen bekannter Kometen zu beeinflussen. Beobachtungen schlossen diese Hypothese aus.

Im Jahr 1977 Charles Kowal entdeckte 2060 Chiron , einen eisigen Planetoiden mit einem Orbit zwischen Saturn und Uranus. Er benutzte einen Blink-Komparator , das gleiche Gerät, das es Clyde Tombaugh vor fast 50 Jahren ermöglicht hatte, Pluto zu entdecken. 1992 wurde ein weiteres Objekt, 5145 Pholus , in einer ähnlichen Umlaufbahn entdeckt. Heute ist bekannt, dass in der Region zwischen Jupiter und Neptun eine ganze Population von kometenähnlichen Körpern, den Zentauren , existiert. Die Umlaufbahnen der Zentauren sind instabil und haben eine dynamische Lebensdauer von einigen Millionen Jahren. Seit der Entdeckung von Chiron im Jahr 1977 haben Astronomen spekuliert, dass die Zentauren daher häufig von einem äußeren Reservoir aufgefüllt werden müssen.

Weitere Beweise für die Existenz des Kuipergürtels ergaben sich später aus der Untersuchung von Kometen. Dass Kometen eine endliche Lebensdauer haben, ist seit einiger Zeit bekannt. Wenn sie sich der Sonne nähern, führt ihre Hitze dazu, dass ihre flüchtigen Oberflächen in den Weltraum sublimieren und sie allmählich zerstreuen. Damit Kometen auch über das Alter des Sonnensystems hinweg sichtbar bleiben, müssen sie häufig erneuert werden. Ein Vorschlag für ein solches Gebiet der Nachschub ist die Oort Wolke , möglicherweise eine sphärische Schwarm von Kometen über 50.000 AU von der Sonne Holländisch zuerst die Hypothese aufgestellt erstreckt Astronom Jan Oort 1950. Die Oort Cloud gedacht ist der Entstehungsort der sein langfris periodische Kometen , das sind solche wie Hale-Bopp , deren Umlaufbahnen Tausende von Jahren dauern.

Es gibt einen weiteren Kometen Bevölkerung, bekannt als kurzzeitigen oder periodischen Kometen , die aus diesen Kometen , die, wie der Halleysche Komet , haben Umlaufzeiten von weniger als 200 Jahren. In den 1970er Jahren wurde die Geschwindigkeit, mit der kurzperiodische Kometen entdeckt wurden, zunehmend unvereinbar damit, dass sie ausschließlich aus der Oortschen Wolke hervorgegangen waren. Damit aus einem Oortschen Wolkenobjekt ein kurzperiodischer Komet wird, müsste es zunächst von den Riesenplaneten eingefangen werden. In einem 1980 in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlichten Artikel erklärte der uruguayische Astronom Julio Fernández , dass für jeden kurzperiodischen Kometen, der aus der Oortschen Wolke in das innere Sonnensystem geschickt werden soll, 600 in den interstellaren Raum ausgestoßen werden müssten . Er spekulierte, dass ein Kometengürtel zwischen 35 und 50 AE erforderlich wäre, um die beobachtete Anzahl von Kometen zu erklären. Im Anschluss an die Arbeit von Fernández führte das kanadische Team von Martin Duncan, Tom Quinn und Scott Tremaine 1988 eine Reihe von Computersimulationen durch, um festzustellen, ob alle beobachteten Kometen aus der Oortschen Wolke stammen könnten. Sie fanden heraus, dass die Oort-Wolke nicht alle kurzperiodischen Kometen erklären kann, insbesondere da kurzperiodische Kometen in der Nähe der Ebene des Sonnensystems gruppiert sind, während Oort-Wolkenkometen dazu neigen, von jedem Punkt am Himmel anzukommen. Mit einem "Gürtel", wie Fernández es beschrieb, den Formulierungen hinzugefügt, stimmten die Simulationen mit den Beobachtungen überein. Angeblich, weil die Wörter "Kuiper" und "Kometengürtel" im Eröffnungssatz von Fernández' Papier auftauchten, nannte Tremaine diese hypothetische Region den "Kuipergürtel".

Entdeckung

Die Reihe von Teleskopen auf dem Mauna Kea , mit denen der Kuipergürtel entdeckt wurde

1987 wurde der Astronom David Jewitt , damals am MIT , zunehmend verwirrt über "die scheinbare Leere des äußeren Sonnensystems". Er ermutigte die damalige Doktorandin Jane Luu , ihm bei seinen Bemühungen zu helfen, ein anderes Objekt außerhalb von Plutos Umlaufbahn zu finden, denn, wie er ihr sagte: "Wenn wir es nicht tun, wird es niemand tun." Mit Teleskopen am Kitt Peak National Observatory in Arizona und am Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile führten Jewitt und Luu ihre Suche ähnlich wie Clyde Tombaugh und Charles Kowal mit einem Blink-Komparator durch . Anfänglich dauerte die Untersuchung jedes Plattenpaares etwa acht Stunden, aber der Prozess wurde durch die Einführung elektronischer ladungsgekoppelter Geräte oder CCDs beschleunigt , die, obwohl ihr Sichtfeld schmaler war, nicht nur beim Sammeln von Licht effizienter waren ( sie behielten 90 % des auf sie auftreffenden Lichts bei, anstatt der 10 %, die durch Fotos erreicht wurden), aber ermöglichten den Vorgang des Blinkens virtuell auf einem Computerbildschirm. CCDs bilden heute die Basis für die meisten astronomischen Detektoren. 1988 wechselte Jewitt an das Institute of Astronomy der University of Hawaii . Später schloss sich Luu ihm an, um am 2,24-m-Teleskop der University of Hawaii auf dem Mauna Kea zu arbeiten . Schließlich hatte sich das Sichtfeld für CCDs auf 1024 x 1024 Pixel vergrößert, wodurch die Suche viel schneller durchgeführt werden konnte. Schließlich, nach fünfjähriger Suche, gaben Jewitt und Luu am 30. August 1992 die „Entdeckung des Kandidaten-Kuipergürtelobjekts 1992 QB 1 “ bekannt. Dieses Objekt wurde später 15760 Albion genannt. Sechs Monate später entdeckten sie ein zweites Objekt in der Region (181708) 1993 FW . Bis 2018 wurden über 2000 Kuipergürtel-Objekte entdeckt.

In den zwanzig Jahren (1992–2012) wurden über tausend Leichen in einem Gürtel gefunden, nachdem 1992 QB 1 (benannt 2018, 15760 Albion) gefunden wurde, das einen riesigen Gürtel von Leichen zeigt, mehr als nur Pluto und Albion. In den 2010er Jahren ist das volle Ausmaß und die Natur der Kuiper-Gürtelkörper weitgehend unbekannt. Schließlich wurden in den späten 2010er Jahren zwei KBOs von einem unbemannten Raumfahrzeug dicht vorbeigeflogen, was viel genauere Beobachtungen des plutonischen Systems und eines anderen KBO ermöglichte.

Studien, die seit der ersten Kartierung der transneptunischen Region durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Region, die heute Kuiper-Gürtel genannt wird, nicht der Ursprungsort von kurzperiodischen Kometen ist, sondern dass sie stattdessen von einer verbundenen Population namens Streuscheibe abstammen . Die Streuscheibe entstand, als Neptun nach außen in den Proto-Kuiper-Gürtel wanderte , der zu dieser Zeit viel näher an der Sonne lag, und eine Population dynamisch stabiler Objekte hinterließ, die von seiner Umlaufbahn niemals beeinflusst werden konnten (der Kuiper-Gürtel). richtig) und eine Population, deren Perihelien nahe genug sind, dass Neptun sie noch stören kann, während er um die Sonne (die Streuscheibe) reist. Da die Streuscheibe dynamisch aktiv und der Kuipergürtel relativ dynamisch stabil ist, wird die Streuscheibe heute als wahrscheinlichster Ausgangspunkt für periodische Kometen angesehen.

Name

Astronomen verwenden manchmal den alternativen Namen Edgeworth-Kuiper-Gürtel, um Edgeworth zuzuschreiben, und KBOs werden gelegentlich als EKOs bezeichnet. Brian G. Marsden behauptet, dass beides keine echte Anerkennung verdient: "Weder Edgeworth noch Kuiper haben über etwas geschrieben, das auch nur annähernd so ähnlich ist wie das, was wir jetzt sehen, aber Fred Whipple hat es getan." David Jewitt kommentiert: "Wenn überhaupt ... Fernández verdient fast die Ehre, den Kuipergürtel vorhergesagt zu haben."

KBOs werden manchmal "Kuiperoids" genannt, ein Name, der von Clyde Tombaugh vorgeschlagen wurde . Der Begriff „ trans-neptunisches Objekt “ (TNO) wird von mehreren wissenschaftlichen Gruppen für Objekte im Gürtel empfohlen, da der Begriff weniger umstritten ist als alle anderen – es ist jedoch kein exaktes Synonym , da TNOs alle Objekte umfassen, die die Sonne hinter dem Umlaufbahn von Neptun , nicht nur im Kuipergürtel.

Struktur

In seiner vollen Ausdehnung (aber ohne die verstreute Scheibe) erstreckt sich der Kuiper-Gürtel einschließlich seiner abgelegenen Regionen von etwa 30 bis 55 AE. Es wird allgemein akzeptiert, dass sich der Hauptkörper des Gürtels von der 2:3-Mean-Motion-Resonanz ( siehe unten ) bei 39,5 AU bis zur 1:2-Resonanz bei ungefähr 48 AU erstreckt. Der Kuipergürtel ist ziemlich dick, wobei sich die Hauptkonzentration bis zu zehn Grad außerhalb der Ekliptikebene erstreckt und sich eine diffusere Verteilung von Objekten um ein Vielfaches erstreckt. Insgesamt ähnelt es eher einem Torus oder Donut als einem Gürtel. Seine mittlere Position ist um 1,86 Grad zur Ekliptik geneigt.

Die Anwesenheit von Neptun hat aufgrund von Orbitalresonanzen einen tiefgreifenden Einfluss auf die Struktur des Kuiper-Gürtels . Über einen mit dem Alter des Sonnensystems vergleichbaren Zeitraum destabilisiert Neptuns Schwerkraft die Umlaufbahnen von Objekten, die zufällig in bestimmten Regionen liegen, und schickt sie entweder in das innere Sonnensystem oder hinaus in die Streuscheibe oder den interstellaren Raum. Dies führt dazu, dass der Kuiper-Gürtel in seinem aktuellen Layout ausgeprägte Lücken aufweist, ähnlich den Kirkwood-Lücken im Asteroidengürtel . In der Region zwischen 40 und 42 AE zum Beispiel können keine Objekte während dieser Zeit eine stabile Umlaufbahn beibehalten, und alle in dieser Region beobachteten Objekte müssen vor relativ kurzer Zeit dorthin gewandert sein.

Die verschiedenen dynamischen Klassen transneptunischer Objekte.

Klassischer Gürtel

Zwischen den 2:3- und 1:2-Resonanzen mit Neptun, bei ungefähr 42–48 AE, treten die Gravitationswechselwirkungen mit Neptun über einen längeren Zeitraum auf, und Objekte können mit ihren Umlaufbahnen im Wesentlichen unverändert existieren. Diese Region ist als klassischer Kuiper-Gürtel bekannt und ihre Mitglieder umfassen etwa zwei Drittel der bisher beobachteten KBOs. Da das erste entdeckte moderne KBO ( Albion , aber lange (15760) 1992 QB 1 genannt ) als Prototyp dieser Gruppe gilt, werden klassische KBOs oft als Cubewanos ("QB-1-os") bezeichnet. Die von der IAU aufgestellten Richtlinien verlangen, dass klassischen KBOs Namen von mythologischen Wesen gegeben werden, die mit der Schöpfung in Verbindung stehen.

Der klassische Kuipergürtel scheint aus zwei getrennten Populationen zusammengesetzt zu sein. Die erste, als "dynamisch kalte" Population bekannt, hat Umlaufbahnen ähnlich den Planeten; nahezu kreisförmig, mit einer Orbitalexzentrizität von weniger als 0,1 und mit relativ geringen Neigungen bis etwa 10° (sie liegen eher nahe an der Ebene des Sonnensystems als in einem Winkel). Die kalte Population enthält auch eine Konzentration von Objekten, die als Kernel bezeichnet werden, mit großen Halbachsen bei 44–44,5 AE. Die zweite, die "dynamisch heiße" Population, weist um bis zu 30° stärker geneigte Umlaufbahnen zur Ekliptik auf. Die beiden Populationen wurden nicht wegen eines großen Temperaturunterschieds so genannt, sondern in Analogie zu Teilchen in einem Gas, die bei Erwärmung ihre Relativgeschwindigkeit erhöhen. Die beiden Populationen befinden sich nicht nur in unterschiedlichen Umlaufbahnen, die kalte Population unterscheidet sich auch in Farbe und Albedo , da sie röter und heller ist, einen größeren Anteil an binären Objekten aufweist, eine unterschiedliche Größenverteilung aufweist und sehr große Objekte nicht besitzt. Die Masse der dynamisch kalten Bevölkerung ist etwa 30-mal geringer als die Masse der heißen. Der Unterschied in den Farben kann ein Spiegelbild unterschiedlicher Zusammensetzungen sein, was darauf hindeutet, dass sie in verschiedenen Regionen entstanden sind. Es wird vermutet, dass sich die heiße Population in der Nähe der ursprünglichen Umlaufbahn von Neptun gebildet hat und während der Migration der Riesenplaneten verstreut wurde . Auf der anderen Seite wurde vorgeschlagen, dass sich die kalte Population mehr oder weniger an ihrer aktuellen Position gebildet hat, da die losen Binärdateien Begegnungen mit Neptun wahrscheinlich nicht überleben würden. Obwohl das Modell von Nizza einen Unterschied in der Zusammensetzung zumindest teilweise erklären zu können scheint, wurde auch vorgeschlagen, dass der Farbunterschied Unterschiede in der Oberflächenentwicklung widerspiegeln könnte.

Resonanzen

Verteilung von Cubewanos (blau), resonanten transneptunischen Objekten (rot), Sednoiden (gelb) und verstreuten Objekten (grau)
Orbit-Klassifizierung (Schema der großen Halbachsen )

Wenn die Umlaufperiode eines Objekts ein genaues Verhältnis zu der von Neptun ist (eine Situation, die als Mean-Motion-Resonanz bezeichnet wird ), kann es in einer synchronisierten Bewegung mit Neptun gefangen werden und es vermeiden, gestört zu werden, wenn ihre relativen Ausrichtungen angemessen sind. Wenn zum Beispiel ein Objekt die Sonne zweimal für alle drei Neptunumläufe umkreist und wenn es das Perihel erreicht, während Neptun ein Viertel einer Umlaufbahn von ihm entfernt ist, dann befindet sich Neptun immer in ungefähr derselben relativen Position, wenn es in das Perihel zurückkehrt wie es begann, denn es wird abgeschlossen sein 1+12 Umlaufbahnen gleichzeitig. Dies ist als 2:3 (oder 3:2) Resonanz bekannt und entspricht einer charakteristischen großen Halbachse von etwa 39,4 AE. Diese 2:3-Resonanz wird von etwa 200 bekannten Objekten bevölkert, darunter Pluto zusammen mit seinen Monden . Aus diesem Grund werden die Mitglieder dieser Familie als Plutinos bezeichnet . Viele Plutinos, einschließlich Pluto, haben Umlaufbahnen, die die von Neptun kreuzen, obwohl ihre Resonanz bedeutet, dass sie niemals kollidieren können. Plutinos haben hohe Orbitalexzentrizitäten, was darauf hindeutet, dass sie nicht an ihren aktuellen Positionen heimisch sind, sondern stattdessen vom wandernden Neptun willkürlich in ihre Umlaufbahnen geworfen wurden. Die IAU-Richtlinien schreiben vor, dass alle Plutinos, wie Pluto, nach Gottheiten der Unterwelt benannt werden müssen. Die 1:2-Resonanz (deren Objekte für jeden Neptun eine halbe Umlaufbahn absolvieren) entspricht den großen Halbachsen von ~47,7 AE und ist dünn besiedelt. Seine Bewohner werden manchmal als twotinos bezeichnet . Andere Resonanzen existieren auch bei 3:4, 3:5, 4:7 und 2:5. Neptun hat eine Reihe von Trojanischen Objekten , die seine Lagrange-Punkte besetzen, gravitationsstabile Regionen, die ihm in seiner Umlaufbahn vor- und nachlaufen. Neptun-Trojaner befinden sich in einer 1:1-Mean-Motion-Resonanz mit Neptun und haben oft sehr stabile Umlaufbahnen.

Darüber hinaus gibt es eine relative Abwesenheit von Objekten mit großen Halbachsen unter 39 AE, die mit den vorliegenden Resonanzen anscheinend nicht erklärt werden können. Die derzeit akzeptierte Hypothese für die Ursache dafür ist, dass sich instabile Orbitalresonanzen allmählich durch diese Region bewegten, als Neptun nach außen wanderte, und daher alle darin befindlichen Objekte mitgerissen oder gravitativ davon geschleudert wurden.

Kuiper-Klippe

Histogramm der großen Halbachsen von Kuipergürtel-Objekten mit Neigungen über und unter 5 Grad. Spitzen von den Plutinos und dem 'Kernel' sind bei 39–40 AE und 44 AE sichtbar.

Die 1:2-Resonanz bei 47,8 AE scheint eine Kante zu sein, über die nur wenige Objekte bekannt sind. Es ist nicht klar, ob es sich tatsächlich um den äußeren Rand des klassischen Gürtels oder nur den Anfang einer breiten Lücke handelt. Objekte wurden bei der 2:5-Resonanz bei ungefähr 55 AE entdeckt, weit außerhalb des klassischen Gürtels; Vorhersagen einer großen Zahl von Körpern in klassischen Bahnen zwischen diesen Resonanzen wurden nicht durch Beobachtungen bestätigt.

Basierend auf Schätzungen der Urmasse, die erforderlich ist, um Uranus und Neptun zu bilden , sowie Körper so groß wie Pluto (siehe § Masse und Größenverteilung ) hatten frühere Modelle des Kuipergürtels vorgeschlagen, dass die Anzahl der großen Objekte um einen Faktor zunehmen würde von zwei über 50 AE, so dass dieser plötzliche drastische Abfall, bekannt als die Kuiper-Klippe , unerwartet war und bis heute seine Ursache unbekannt ist. Bernstein, Trilling et al. (2003) fanden Beweise dafür, dass der schnelle Rückgang von Objekten mit einem Radius von 100 km oder mehr über 50 AE real ist und nicht auf Beobachtungsfehler zurückzuführen ist . Mögliche Erklärungen sind, dass Material in dieser Entfernung zu knapp oder zu verstreut war, um sich zu großen Objekten anzusammeln, oder dass nachfolgende Prozesse diejenigen entfernt oder zerstört haben, die dies taten. Patryk Lykawka von der Universität Kobe behauptete, dass die Anziehungskraft eines unsichtbaren großen planetarischen Objekts , vielleicht von der Größe der Erde oder des Mars , dafür verantwortlich sein könnte.

Herkunft

Simulation äußerer Planeten und Kuipergürtel: (a) vor Jupiter/Saturn 1:2-Resonanz, (b) Streuung von Kuipergürtel-Objekten in das Sonnensystem nach der Bahnverschiebung von Neptun, (c) nach dem Auswurf von Kuipergürtel-Körpern durch Jupiter
Der Kuipergürtel (grün), am Rande des Sonnensystems

Die genauen Ursprünge des Kuiper-Gürtels und seiner komplexen Struktur sind noch unklar, und Astronomen warten auf die Fertigstellung mehrerer Weitfeld-Durchmusterungsteleskope wie Pan-STARRS und dem zukünftigen LSST , die viele derzeit unbekannte KBOs aufdecken dürften. Diese Umfragen werden Daten liefern, die dazu beitragen, Antworten auf diese Fragen zu finden.

Es wird angenommen, dass der Kuiper-Gürtel aus Planetesimalen besteht , Fragmenten der ursprünglichen protoplanetaren Scheibe um die Sonne, die nicht vollständig zu Planeten verschmolzen und stattdessen zu kleineren Körpern geformt wurden, von denen der größte weniger als 3.000 Kilometer (1.900 Meilen) im Durchmesser hat. Studien der Kraterzählungen auf Pluto und Charon ergaben eine Knappheit an kleinen Kratern, was darauf hindeutet, dass sich solche Objekte direkt als beträchtliche Objekte mit einem Durchmesser von mehreren zehn Kilometern gebildet haben, anstatt aus viel kleineren, ungefähr kilometergroßen Körpern akkretiert zu werden. Hypothetische Mechanismen für die Bildung dieser größeren Körper umfassen den gravitativen Kollaps von Kieselwolken, die zwischen Wirbeln in einer turbulenten protoplanetaren Scheibe oder in strömenden Instabilitäten konzentriert sind . Diese kollabierenden Wolken können fragmentieren und Binärdateien bilden.

Moderne Computersimulationen zeigen, dass der Kuiper-Gürtel stark von Jupiter und Neptun beeinflusst wurde , und legen auch nahe, dass sich weder Uranus noch Neptun an ihren gegenwärtigen Positionen gebildet haben könnten, da in dieser Entfernung zu wenig Urmaterie existierte, um Objekte mit so hoher Masse zu produzieren. Stattdessen wird geschätzt, dass sich diese Planeten näher am Jupiter gebildet haben. Die Streuung von Planetesimalen zu Beginn der Geschichte des Sonnensystems hätte zu einer Wanderung der Bahnen der Riesenplaneten geführt: Saturn , Uranus und Neptun drifteten nach außen, während Jupiter nach innen driftete. Schließlich verschoben sich die Umlaufbahnen bis zu dem Punkt, an dem Jupiter und Saturn eine exakte 1:2-Resonanz erreichten; Jupiter umkreiste die Sonne zweimal für jede Saturnbahn. Die gravitativen Rückwirkungen einer solchen Resonanz destabilisierten schließlich die Umlaufbahnen von Uranus und Neptun, was dazu führte, dass sie nach außen auf Umlaufbahnen mit hoher Exzentrizität gestreut wurden, die die ursprüngliche Planetesimalscheibe kreuzten.

Während die Umlaufbahn von Neptun sehr exzentrisch war, überlappten sich seine mittleren Bewegungsresonanzen und die Umlaufbahnen der Planetesimale entwickelten sich chaotisch, wodurch Planetesimale bis zur 1:2-Resonanz von Neptun nach außen wandern konnten, um einen dynamisch kalten Gürtel aus Objekten mit geringer Neigung zu bilden. Später, nachdem seine Exzentrizität abgenommen hatte, dehnte sich die Umlaufbahn von Neptun nach außen in Richtung seiner aktuellen Position aus. Viele Planetesimale wurden während dieser Wanderung in Resonanzen eingefangen und verbleiben in Resonanzen, andere entwickelten sich auf Umlaufbahnen mit höherer Neigung und geringerer Exzentrizität und entkamen aus den Resonanzen auf stabile Umlaufbahnen. Viele weitere Planetesimale wurden nach innen verstreut, wobei kleine Bruchteile als Jupiter-Trojaner, als irreguläre Satelliten, die die Riesenplaneten umkreisen, und als Asteroiden des äußeren Gürtels eingefangen wurden. Der Rest wurde von Jupiter wieder nach außen gestreut und in den meisten Fällen aus dem Sonnensystem geschleudert, was die ursprüngliche Bevölkerung des Kuipergürtels um 99% oder mehr reduzierte.

Die Originalversion des derzeit beliebtesten Modells, das " Nice-Modell ", reproduziert viele Merkmale des Kuiper-Gürtels wie die "kalten" und "heißen" Populationen, resonante Objekte und eine verstreute Scheibe, aber es wird immer noch nicht berücksichtigt einige der Merkmale ihrer Verteilungen. Das Modell sagt eine höhere durchschnittliche Exzentrizität in klassischen KBO-Orbits voraus als beobachtet (0,10–0,13 gegenüber 0,07) und seine vorhergesagte Neigungsverteilung enthält zu wenige Objekte mit hoher Neigung. Auch die Häufigkeit von binären Objekten im Kaltgürtel, von denen viele weit voneinander entfernt und lose gebunden sind, stellt das Modell ebenfalls vor ein Problem. Es wird vorhergesagt, dass diese bei Begegnungen mit Neptun getrennt wurden, was zu der Annahme führt, dass sich die kalte Scheibe an ihrem aktuellen Standort gebildet hat und die einzige wirklich lokale Population kleiner Körper im Sonnensystem darstellt.

Eine kürzliche Modifikation des Modells von Nizza lässt das Sonnensystem mit fünf riesigen Planeten beginnen, darunter einem zusätzlichen Eisriesen , in einer Kette von Resonanzen mittlerer Bewegung. Etwa 400 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems ist die Resonanzkette unterbrochen. Anstatt in die Scheibe zerstreut zu werden, wandern die Eisriesen zunächst mehrere AE nach außen. Diese divergente Wanderung führt schließlich zu einer Resonanzkreuzung, die die Umlaufbahnen der Planeten destabilisiert. Der zusätzliche Eisriese trifft auf Saturn und wird nach innen auf eine jupiterüberquerende Umlaufbahn gestreut und nach einer Reihe von Begegnungen aus dem Sonnensystem ausgestoßen. Die verbleibenden Planeten setzen dann ihre Wanderung fort, bis die Planetesimalscheibe fast aufgebraucht ist und kleine Bruchteile an verschiedenen Orten verbleiben.

Wie im ursprünglichen Modell von Nizza werden Objekte während seiner Auswanderung mit Neptun in Resonanz gebracht. Einige bleiben in den Resonanzen, andere entwickeln sich auf Umlaufbahnen mit höherer Neigung und geringerer Exzentrizität und werden auf stabile Umlaufbahnen entlassen, die den dynamisch heißen klassischen Gürtel bilden. Die Neigungsverteilung des heißen Gürtels kann reproduziert werden, wenn Neptun auf einer Zeitskala von 30 Myr von 24 AE auf 30 AE wanderte. Wenn Neptun auf 28 AE migriert, hat er eine Gravitationsbegegnung mit dem zusätzlichen Eisriesen. Objekte, die aus dem kalten Gürtel in die 1:2-Mean-Motion-Resonanz mit Neptun eingefangen wurden, werden als lokale Konzentration bei 44 AE zurückgelassen, wenn diese Begegnung dazu führt, dass Neptuns große Halbachse nach außen springt. Die im Kaltband abgelegten Objekte umfassen einige lose gebundene „blaue“ Binärdateien, die aus einer näheren Umgebung als der aktuellen Position des Kaltbands stammen. Wenn die Exzentrizität von Neptun während dieser Begegnung gering bleibt, wird die chaotische Entwicklung der Umlaufbahnen des ursprünglichen Modells von Nizza vermieden und ein ursprünglicher Kältegürtel erhalten. In den späteren Phasen von Neptuns Wanderung entfernt ein langsames Durchstreichen von Resonanzen mittlerer Bewegung die Objekte mit höherer Exzentrizität aus dem Kaltgürtel und schneidet seine Exzentrizitätsverteilung ab.

Komposition

Die Infrarotspektren von Eris und Pluto, die ihre gemeinsamen Methanabsorptionslinien hervorheben

Da sie von der Sonne und den großen Planeten entfernt sind, wird angenommen, dass Kuipergürtel-Objekte von den Prozessen, die andere Objekte des Sonnensystems geformt und verändert haben, relativ unbeeinflusst sind. Daher würde die Bestimmung ihrer Zusammensetzung wesentliche Informationen über die Zusammensetzung des frühesten Sonnensystems liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe und der extremen Entfernung von der Erde ist die chemische Zusammensetzung von KBOs sehr schwer zu bestimmen. Die Hauptmethode, mit der Astronomen die Zusammensetzung eines Himmelsobjekts bestimmen, ist die Spektroskopie . Wenn das Licht eines Objekts in seine Komponentenfarben zerlegt wird, entsteht ein Bild, das einem Regenbogen ähnelt. Dieses Bild wird Spektrum genannt . Verschiedene Substanzen absorbieren Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen, und wenn das Spektrum für ein bestimmtes Objekt entwirrt ist, erscheinen dunkle Linien (sogenannte Absorptionslinien ) dort, wo die darin enthaltenen Substanzen diese bestimmte Lichtwellenlänge absorbiert haben. Jedes Element oder jede Verbindung hat seine eigene einzigartige spektroskopische Signatur, und durch das Lesen des vollständigen spektralen "Fingerabdrucks" eines Objekts können Astronomen seine Zusammensetzung bestimmen.

Die Analyse zeigt, dass Objekte des Kuipergürtels aus einer Mischung von Gestein und einer Vielzahl von Eisarten wie Wasser, Methan und Ammoniak bestehen . Die Temperatur des Gürtels beträgt nur etwa 50 K , so dass viele Verbindungen, die näher an der Sonne gasförmig wären, fest bleiben. Die Dichten und Gesteins-Eis-Anteile sind nur für wenige Objekte bekannt, deren Durchmesser und Massen bestimmt wurden. Der Durchmesser kann durch Abbildung mit einem hochauflösenden Teleskop wie dem Hubble-Weltraumteleskop , durch den Zeitpunkt einer Bedeckung, wenn ein Objekt vor einem Stern vorbeizieht, oder am häufigsten durch die Verwendung der Albedo eines Objekts, die aus seiner berechnet wird, bestimmt werden Infrarotstrahlung. Die Massen werden anhand der großen Halbachsen und Perioden von Satelliten bestimmt, die daher nur für wenige binäre Objekte bekannt sind. Die Dichten reichen von weniger als 0,4 bis 2,6 g/cm 3 . Es wird angenommen, dass die Objekte mit der geringsten Dichte größtenteils aus Eis bestehen und eine erhebliche Porosität aufweisen. Die dichtesten Objekte bestehen wahrscheinlich aus Gestein mit einer dünnen Eiskruste. Es gibt einen Trend zu niedrigen Dichten für kleine Objekte und hohen Dichten für die größten Objekte. Eine mögliche Erklärung für diesen Trend ist, dass Eis aus den Oberflächenschichten verloren ging, als differenzierte Objekte kollidierten, um die größten Objekte zu bilden.

Künstlerische Darstellung von Plutino und einem möglichen ehemaligen C-Typ-Asteroiden (120216) 2004 EW 95

Anfangs war eine detaillierte Analyse von KBOs unmöglich, und so konnten Astronomen nur die grundlegendsten Fakten über ihr Make-up, vor allem ihre Farbe, bestimmen. Diese ersten Daten zeigten eine breite Palette von Farben bei KBOs, die von neutralem Grau bis zu tiefem Rot reichen. Dies deutete darauf hin, dass ihre Oberflächen aus einer Vielzahl von Verbindungen bestanden, von schmutzigem Eis bis hin zu Kohlenwasserstoffen . Diese Vielfalt war verblüffend, da Astronomen erwartet hatten, dass KBOs einheitlich dunkel sein würden, da sie den Großteil des flüchtigen Eises von ihrer Oberfläche durch die Auswirkungen der kosmischen Strahlung verloren hatten . Für diese Diskrepanz wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, einschließlich der Oberflächenerneuerung durch Stöße oder Ausgasen . Jewitt und Luus Spektralanalyse der bekannten Kuipergürtel-Objekte im Jahr 2001 ergab, dass die Farbvariation zu extrem war, um leicht durch zufällige Einschläge erklärt zu werden. Es wird angenommen, dass die Strahlung der Sonne Methan auf der Oberfläche von KBOs chemisch verändert hat, wodurch Produkte wie Tholin produziert werden . Es wurde gezeigt, dass Makemake eine Reihe von Kohlenwasserstoffen besitzt, die aus der Strahlungsverarbeitung von Methan stammen, darunter Ethan , Ethylen und Acetylen .

Obwohl bis heute die meisten KBOs aufgrund ihrer Schwäche noch spektral merkmalslos erscheinen, gab es eine Reihe von Erfolgen bei der Bestimmung ihrer Zusammensetzung. 1996 haben Robert H. Brown et al. erfasste spektroskopische Daten des KBO 1993 SC, die zeigten, dass seine Oberflächenzusammensetzung der von Pluto sowie von Neptuns Mond Triton mit großen Mengen an Methaneis deutlich ähnlich ist . Für die kleineren Objekte wurden nur Farben und teilweise die Albedos bestimmt. Diese Objekte fallen im Wesentlichen in zwei Klassen: grau mit niedriger Albedo oder sehr rot mit hoher Albedo. Es wird angenommen, dass der Unterschied in Farben und Albedos auf die Retention oder den Verlust von Schwefelwasserstoff (H 2 S) auf der Oberfläche dieser Objekte zurückzuführen ist, wobei die Oberflächen derjenigen, die sich weit genug von der Sonne entfernt gebildet haben, um H 2 S zurückzuhalten, sind gerötet durch Bestrahlung.

Die größten KBOs wie Pluto und Quaoar haben Oberflächen, die reich an flüchtigen Verbindungen wie Methan, Stickstoff und Kohlenmonoxid sind ; die Anwesenheit dieser Moleküle ist wahrscheinlich auf ihren moderaten Dampfdruck im Temperaturbereich von 30–50 K des Kuipergürtels zurückzuführen. Dadurch können sie gelegentlich von ihrer Oberfläche abkochen und dann als Schnee wieder fallen, während Verbindungen mit höheren Siedepunkten fest bleiben würden. Die relative Häufigkeit dieser drei Verbindungen in den größten KBOs steht in direktem Zusammenhang mit ihrer Oberflächengravitation und Umgebungstemperatur, die bestimmt, welche sie zurückhalten können. Wassereis wurde in mehreren KBOs entdeckt, darunter Mitglieder der Haumea-Familie wie 1996 TO 66 , mittelgroße Objekte wie 38628 Huya und 20000 Varuna , und auch auf einigen kleinen Objekten. Das Vorhandensein von kristallinem Eis auf große und mittelgroßen Objekten, einschließlich 50000 Quaoar wo Ammoniak - Hydrat wird auch festgestellt worden ist , anzuzeigen Vergangenheit durch den Schmelzpunkt Aided tektonische Aktivität Absenken aufgrund der Anwesenheit von Ammoniak.

Massen- und Größenverteilung

Trotz seiner enormen Ausdehnung ist die kollektive Masse des Kuipergürtels relativ gering. Die Gesamtmasse der dynamisch heißen Bevölkerung wird auf 1 % der Erdmasse geschätzt . Die dynamisch kalte Population wird mit nur 0,03 % der Erdmasse als viel kleiner geschätzt. Während man annimmt, dass die dynamisch heiße Population der Überrest einer viel größeren Population ist, die sich näher an der Sonne bildete und während der Wanderung der Riesenplaneten nach außen verstreut wurde, wird im Gegensatz dazu angenommen, dass sich die dynamisch kalte Population an ihrem aktuellen Standort gebildet hat. Die neueste Schätzung beziffert die Gesamtmasse des Kuipergürtels auf(1,97 ± 0,30) × 10 −2 Erdmassen basierend auf dem Einfluss, den sie auf die Bewegung der Planeten ausübt.

Die geringe Gesamtmasse der dynamisch kalten Population stellt einige Probleme für Modelle der Entstehung des Sonnensystems dar, da eine beträchtliche Masse für die Akkretion von KBOs mit einem Durchmesser von mehr als 100 km (62 Meilen) erforderlich ist. Hätte der kalte klassische Kuipergürtel immer seine gegenwärtig geringe Dichte gehabt, könnten diese großen Objekte einfach nicht durch die Kollision und Verschmelzung kleinerer Planetesimale entstanden sein. Darüber hinaus führen die Exzentrizität und Neigung der aktuellen Umlaufbahnen dazu, dass die Begegnungen ziemlich "gewalttätig" sind, was eher zu Zerstörung als zu Akkretion führt. Die Entfernung eines großen Teils der Masse der dynamisch kalten Population gilt als unwahrscheinlich. Der gegenwärtige Einfluss von Neptun ist zu schwach, um ein so massives "Vakuumieren" zu erklären, und das Ausmaß des Massenverlusts durch Kollisionsschleifen wird durch das Vorhandensein von lose gebundenen Binärdateien in der kalten Scheibe begrenzt, die bei Kollisionen wahrscheinlich gestört werden. Anstatt aus den Kollisionen kleinerer Planetesimale entstanden zu sein, könnte sich das größere Objekt direkt aus dem Zusammenbruch von Kieselwolken gebildet haben.

Darstellung des Potenzgesetzes

Die Größenverteilungen der Kuipergürtelobjekte folgen einer Reihe von Potenzgesetzen . Ein Potenzgesetz beschreibt die Beziehung zwischen N ( D ) (der Anzahl von Objekten mit einem Durchmesser größer als D ) und D und wird als Helligkeitssteigung bezeichnet. Die Anzahl der Objekte ist umgekehrt proportional zu einer Potenz des Durchmessers D :

was ergibt (vorausgesetzt, q ist nicht 1) :

(Die Konstante darf nur dann ungleich Null sein, wenn das Potenzgesetz bei hohen Werten von D nicht gilt .)

Frühe Schätzungen, die auf Messungen der scheinbaren Helligkeitsverteilung basierten, ergaben einen Wert von q = 4 ± 0,5, was impliziert, dass es 8 (= 2 3 ) mehr Objekte im Bereich von 100–200 km gibt als im Bereich von 200–400 km Bereich.

Neuere Forschungen haben ergeben, dass die Größenverteilungen der heißen klassischen und kalten klassischen Objekte unterschiedliche Steigungen aufweisen. Die Steigung für die heißen Objekte beträgt q = 5,3 bei großen Durchmessern und q = 2,0 bei kleinen Durchmessern mit der Steigungsänderung bei 110 km. Die Steigung für die kalten Objekte beträgt q = 8,2 bei großen Durchmessern und q = 2,9 bei kleinen Durchmessern mit einer Steigungsänderung bei 140 km. Die Größenverteilungen der streuenden Objekte, der Plutinos und der Neptun-Trojaner haben ähnliche Steigungen wie die anderen dynamisch heißen Populationen, können jedoch stattdessen eine Divot aufweisen, eine starke Abnahme der Anzahl von Objekten unter einer bestimmten Größe. Es wird angenommen, dass diese Divot entweder auf die Kollisionsentwicklung der Population zurückzuführen ist oder darauf zurückzuführen ist, dass sich die Population ohne Objekte unter dieser Größe gebildet hat, wobei die kleineren Objekte Fragmente der ursprünglichen Objekte sind.

Die kleinsten bekannten Kuipergürtel-Objekte mit Radien unter 1 km wurden nur durch Sternbedeckungen entdeckt , da sie viel zu dunkel ( Größe 35) sind, um von Teleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop direkt gesehen zu werden . Die ersten Berichte über diese Bedeckungen stammten von Schlichting et al. im Dezember 2009, der die Entdeckung eines kleinen Kuipergürtel-Objekts mit einem Radius von weniger als einem Kilometer in der archivierten Hubble- Photometrie vom März 2007 bekannt gab. Mit einem geschätzten Radius von520 ± 60 m oder ein Durchmesser von1040 ± 120 m , wurde die Aufgabe durch detektiert Hubble ‚s Sternverfolgungssystem , wenn es kurzzeitig einen Stern für 0,3 Sekunden occulted. In einer im Dezember 2012 veröffentlichten Folgestudie haben Schlichting et al. führte eine gründlichere Analyse der archivierten Hubble- Photometrie durch und berichtete über ein weiteres Okkultationsereignis durch ein Kuiper-Gürtel-Objekt mit einer Größe von weniger als einem Kilometer, das auf geschätzt wird530 ± 70 m im Radius oder1060 ± 140 m Durchmesser. Aus den 2009 und 2012 nachgewiesenen Bedeckungsereignissen haben Schlichting et al. bestimmt die Neigung der Objektgrößenverteilung des Kuipergürtels zu q = 3,6 ± 0,2 oder q = 3,8 ± 0,2, unter der Annahme eines einzigen Potenzgesetzes und einer gleichmäßigen ekliptischen Breitenverteilung . Ihr Ergebnis impliziert ein starkes Defizit an subkilometergroßen Kuipergürtel-Objekten im Vergleich zu Extrapolationen aus der Population größerer Kuipergürtel-Objekte mit Durchmessern über 90 km.

Verstreute Objekte

Vergleich der Bahnen von Streuscheibenobjekten (schwarz), klassischen KBOs (blau) und 2:5 resonanten Objekten (grün). Orbits anderer KBOs sind grau. (Orbitalachsen wurden zum Vergleich ausgerichtet.)

Die verstreute Scheibe ist eine dünn besiedelte Region, die sich mit dem Kuiper-Gürtel überlappt, sich aber bis über 100 AE erstreckt. Streuscheibenobjekte (SDOs) haben sehr elliptische Bahnen, oft auch stark geneigt zur Ekliptik. Die meisten Modelle der Entstehung des Sonnensystems zeigen, dass sich sowohl KBOs als auch SDOs zuerst in einem Urgürtel bilden, mit späteren Gravitationswechselwirkungen, insbesondere mit Neptun, die die Objekte nach außen schicken, einige in stabile Umlaufbahnen (die KBOs) und einige in instabile Umlaufbahnen, die Streuscheibe. Aufgrund ihrer instabilen Natur wird die Streuscheibe als Ursprungspunkt vieler kurzperiodischer Kometen des Sonnensystems vermutet. Ihre dynamischen Umlaufbahnen zwingen sie gelegentlich in das innere Sonnensystem, wo sie zuerst zu Zentauren und dann zu kurzperiodischen Kometen werden.

Nach Angaben des Minor Planet Center , das alle transneptunischen Objekte offiziell katalogisiert, ist ein KBO jedes Objekt, das unabhängig von Herkunft oder Zusammensetzung ausschließlich innerhalb der definierten Kuipergürtelregion umkreist. Gegenstände, die außerhalb des Gürtels gefunden werden, werden als verstreute Gegenstände eingestuft. In einigen wissenschaftlichen Kreisen ist der Begriff "Kuiper-Gürtel-Objekt" zum Synonym für jeden eisigen Kleinplaneten des äußeren Sonnensystems geworden, von dem angenommen wird, dass er Teil dieser ursprünglichen Klasse war, auch wenn seine Umlaufbahn während des Großteils der Geschichte des Sonnensystems jenseits der Kuipergürtel (zB im Streuscheibenbereich). Sie beschreiben verstreute Scheibenobjekte oft als „verstreute Kuipergürtelobjekte“. Eris , von dem bekannt ist, dass er massiver ist als Pluto, wird oft als KBO bezeichnet, ist aber technisch gesehen ein SDO. Ein Konsens unter Astronomen über die genaue Definition des Kuipergürtels ist noch nicht erreicht, und dieses Problem bleibt ungelöst.

Die Zentauren, die normalerweise nicht als Teil des Kuiper-Gürtels betrachtet werden, werden ebenfalls als verstreute Objekte angesehen, mit dem einzigen Unterschied, dass sie nach innen und nicht nach außen gestreut wurden. Das Minor Planet Center gruppiert die Zentauren und die SDOs als verstreute Objekte.

Triton

Es wird angenommen, dass Neptun während seiner Migrationsperiode einen großen KBO, Triton , eingefangen hat , der der einzige große Mond im Sonnensystem mit einer retrograden Umlaufbahn ist (er umkreist entgegengesetzt zur Neptun-Rotation). Dies deutet darauf hin, dass Triton im Gegensatz zu den großen Monden von Jupiter , Saturn und Uranus , von denen angenommen wird, dass sie aus rotierenden Materialscheiben um ihre jungen Elternplaneten zusammengewachsen sind, ein vollständig geformter Körper war, der aus dem umgebenden Weltraum eingefangen wurde. Die Erfassung eines Objekts durch die Schwerkraft ist nicht einfach: Es erfordert einen Mechanismus, um das Objekt so weit zu verlangsamen, dass es von der Schwerkraft des größeren Objekts erfasst wird. Eine mögliche Erklärung ist, dass Triton Teil einer Binärdatei war, als es auf Neptun traf. (Viele KBOs sind Mitglieder von Binärdateien. Siehe unten .) Das Auswerfen des anderen Mitglieds der Binärdatei durch Neptun könnte dann Tritons Gefangennahme erklären. Triton ist nur 14% größer als Pluto, und die Spektralanalyse beider Welten zeigt, dass ihre Oberflächen größtenteils aus ähnlichen Materialien wie Methan und Kohlenmonoxid bestehen . All dies deutet darauf hin, dass Triton einst ein KBO war, das von Neptun während seiner Auswanderung gefangen genommen wurde .

Größte KBOs

Earth Moon Charon Charon Nix Nix Kerberos Styx Hydra Hydra Pluto Pluto Dysnomia Dysnomia Eris Eris Namaka Namaka Hi'iaka Hi'iaka Haumea Haumea Makemake Makemake MK2 MK2 Xiangliu Xiangliu Gonggong Gonggong Weywot Weywot Quaoar Quaoar Sedna Sedna Vanth Vanth Orcus Orcus Actaea Actaea Salacia Salacia 2002 MS4 2002 MS4 File:EightTNOs.png
Künstlerischer Vergleich von Pluto , Eris , Haumea , Makemake , Gonggong , Quaoar , Sedna , Orcus , Salacia , 2002 MS 4 und Erde zusammen mit dem Mond

Seit 2000 wurden eine Reihe von KBOs mit Durchmessern zwischen 500 und 1.500 km (932 Meilen) entdeckt, mehr als die Hälfte des Pluto (Durchmesser 2370 km). 50000 Quaoar , ein klassisches KBO, das 2002 entdeckt wurde, hat einen Durchmesser von über 1.200 km. Makemake und Haumea , beide am 29. Juli 2005 angekündigt, sind noch größer. Andere Objekte wie 28978 Ixion (entdeckt 2001) und 20000 Varuna (entdeckt 2000) haben einen Durchmesser von etwa 500 km.

Pluto

Die Entdeckung dieser großen KBOs in Umlaufbahnen ähnlich wie Pluto viele geführt hat , dass zu dem Schluss, abgesehen von seiner relativen Größe, Pluto war nicht besonders unterscheidet sich von anderen Mitgliedern des Kuiper - Gürtels. Diese Objekte haben nicht nur eine ähnliche Größe wie Pluto, sondern viele haben auch Satelliten und eine ähnliche Zusammensetzung (Methan und Kohlenmonoxid wurden sowohl auf Pluto als auch auf den größten KBOs gefunden). So wie Ceres vor der Entdeckung seiner anderen Asteroiden als Planet galt , begannen einige vorzuschlagen, dass auch Pluto neu klassifiziert werden könnte.

Das Problem wurde durch die Entdeckung von Eris auf die Spitze getrieben , einem Objekt in der Streuscheibe weit hinter dem Kuiper-Gürtel, von dem heute bekannt ist, dass es 27% massiver ist als Pluto. (Eris wurde ursprünglich vom Volumen her als größer als Pluto angesehen, aber die New Horizons- Mission stellte fest, dass dies nicht der Fall war.) Als Reaktion darauf war die Internationale Astronomische Union (IAU) gezwungen, zum ersten Mal zu definieren, was ein Planet ist . und dabei in ihre Definition aufgenommen, dass ein Planet " die Nachbarschaft um seine Umlaufbahn gesäubert haben muss ". Da Pluto seine Umlaufbahn mit vielen anderen großen Objekten teilt, wurde angenommen, dass er seine Umlaufbahn nicht erreicht hat und wurde daher von einem Planeten zu einem Zwergplaneten umklassifiziert , was ihn zu einem Mitglied des Kuipergürtels macht.

Obwohl Pluto derzeit das größte bekannte KBO ist, gibt es derzeit mindestens ein bekanntes größeres Objekt außerhalb des Kuipergürtels, das wahrscheinlich seinen Ursprung darin hat: Neptuns Mond Triton (der, wie oben erläutert, wahrscheinlich ein gefangener KBO ist).

Ab 2008 werden nur fünf Objekte im Sonnensystem (Ceres, Eris und die KBOs Pluto, Makemake und Haumea ) von der IAU als Zwergplaneten aufgeführt. 90482 Orcus , 28978 Ixion und viele andere Kuipergürtel-Objekte sind groß genug, um im hydrostatischen Gleichgewicht zu sein; die meisten von ihnen werden sich wahrscheinlich qualifizieren, wenn mehr über sie bekannt ist.

Satelliten

Die sechs größten TNOs ( Eris , Pluto , Gonggong , Makemake , Haumea und Quaoar ) haben alle Satelliten, und zwei von ihnen haben mehr als einen. Ein höherer Prozentsatz der größeren KBOs hat Satelliten als die kleineren Objekte im Kuipergürtel, was darauf hindeutet, dass ein anderer Entstehungsmechanismus dafür verantwortlich war. Es gibt auch eine große Anzahl von Binärdateien (zwei Objekte, die in ihrer Masse nah genug sind, um "einander" zu umkreisen) im Kuipergürtel. Das bemerkenswerteste Beispiel ist die Pluto-Charon-Binärdatei, aber es wird geschätzt, dass etwa 11% der KBOs in Binärdateien existieren.

Erkundung

Die KBO 486958 Arrokoth (grüne Kreise), das ausgewählte Ziel für die New Horizons Kuiper-Gürtel-Objektmission

Am 19. Januar 2006 wird die erste Sonde , den Kuiper - Gürtel, erkunden New Horizons , ins Leben gerufen wurde, die fliegt von Pluto am 14. Juli 2015. Neben dem Pluto Flyby, war die Mission des Ziel ausfindig zu machen und andere, weiter entfernte Motive in der Untersuchung Kuiper Gürtel.

Diagramm mit der Position von 486958 Arrokoth und der Flugbahn für das Rendezvous
New Horizons- Farbkompositbild von Arrokoth, das seine rote Farbe zeigt, was auf organische Verbindungen hindeutet. Bislang ist es neben Pluto und seinen Satelliten das einzige KBO, das von einem Raumschiff besucht wird.

Am 15. Oktober 2014 wurde bekannt, dass Hubble drei potenzielle Ziele entdeckt hatte, die vom New Horizons- Team vorläufig als PT1 ("potentielles Ziel 1"), PT2 und PT3 bezeichnet wurden . Die Durchmesser der Objekte wurden auf 30–55 km geschätzt; zu klein, um von Bodenteleskopen in Entfernungen von der Sonne von 43 bis 44 AE gesehen zu werden, was die Begegnungen in den Zeitraum 2018-2019 bringen würde. Die anfänglich geschätzten Wahrscheinlichkeiten, dass diese Objekte innerhalb des Treibstoffbudgets von New Horizons erreichbar waren, betrugen 100 %, 7 % bzw. 97 %. Alle waren Mitglieder des "kalten" (geringe Neigung , geringe Exzentrizität ) klassischen Kuipergürtels und somit sehr verschieden von Pluto. PT1 (die temporäre Bezeichnung „1110113Y“ auf der HST-Website gegeben), das am günstigsten gelegenen Objekt, war Größe 26,8, 30-45 km im Durchmesser und wurde im Januar 2019 Sobald ein ausreichenden Orbital Informationen angetroffen wurden zur Verfügung gestellt, das Minor Planet Das Zentrum gab den drei Ziel-KBOs offizielle Bezeichnungen: 2014 MU 69 (PT1), 2014 OS 393 (PT2) und 2014 PN 70 (PT3). Bis Herbst 2014 wurde ein mögliches viertes Ziel, 2014 MT 69 , durch Folgebeobachtungen eliminiert. PT2 war vor dem Vorbeiflug von Pluto aus dem Rennen.

Am 26. August 2015 wurde das erste Ziel, 2014 MU 69 (Spitzname "Ultima Thule" und später 486958 Arrokoth genannt ), ausgewählt. Ende Oktober und Anfang November 2015 fand eine Kursanpassung statt, die im Januar 2019 zu einem Vorbeiflug führte. Am 1. Juli 2016 bewilligte die NASA zusätzliche Mittel für New Horizons , um das Objekt zu besuchen.

Am 2. Dezember 2015 New Horizons erkannt , was dann genannt wurde 1994 JR 1 (später 15.810 Arawn von) 270 Millionen Kilometern (170 × 10 6  mi) entfernt, und die Fotos zeigen die Form des Objekts und ein oder zwei Details. ^

Am 1. Januar 2019 flog New Horizons erfolgreich an Arrokoth vorbei und lieferte Daten zurück, die zeigen, dass Arrokoth eine Kontaktbinärdatei von 32 km Länge und 16 km Breite ist. Das Ralph- Instrument an Bord von New Horizons bestätigte die rote Farbe von Arrokoth. Die Daten aus dem Vorbeiflug werden in den nächsten 20 Monaten weiterhin heruntergeladen.

Es sind keine Folgemissionen für New Horizons geplant, obwohl mindestens zwei Konzepte für Missionen untersucht wurden, die in den Orbit zurückkehren oder auf Pluto landen würden. Jenseits von Pluto gibt es viele große KBOs, die nicht mit New Horizons besucht werden können , wie die Zwergplaneten Makemake und Haumea . Neue Missionen würden beauftragt, diese Objekte im Detail zu erforschen und zu studieren. Thales Alenia Space hat die Logistik einer Orbiter-Mission nach Haumea untersucht, einem hochrangigen wissenschaftlichen Ziel aufgrund seines Status als Mutterkörper einer Kollisionsfamilie, die mehrere andere TNOs sowie Haumeas Ring und zwei Monde umfasst. Der Hauptautor, Joel Ponce, hat sich für eine neue Technologie eingesetzt, die es Raumfahrzeugen ermöglichen würde, KBOs in 10 bis 20 Jahren oder weniger zu erreichen und zu umkreisen. New Horizons Principal Investigator Alan Stern hat Missionen informell vorgeschlagen , dass die Planeten Uranus oder Neptun Flyby würde , bevor neue KBO Ziele zu besuchen, so dass die Erforschung des Kuiper - Gürtels Förderung während auch diesen Besuch Eisriesen Planeten zum ersten Mal seit der Voyager 2 flybys in dem 1980er Jahre.

Designstudien und Konzeptmissionen

Design für ein fortschrittliches Sondenkonzept von 1999

Quaoar wurde als Vorbeiflugziel für eine Sonde zur Erforschung des interstellaren Mediums angesehen , da es sich derzeit in der Nähe der heliosphärischen Nase befindet; Pontus Brandt vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory und seine Kollegen haben eine Sonde untersucht, die in den 2030er Jahren an Quaoar vorbeifliegen würde, bevor sie durch die heliosphärische Nase zum interstellaren Medium weiterflog. Zu ihren Interessen in Quaoar gehören die wahrscheinlich verschwindende Methanatmosphäre und der Kryovulkanismus . Die von Brandt und seinen Kollegen untersuchte Mission würde mit SLS starten und mit einem Jupiter-Vorbeiflug 30 km/s erreichen. Alternativ kam eine 2012 veröffentlichte Studie für eine Orbitermission zu dem Schluss, dass Ixion und Huya zu den am besten geeigneten Zielen gehören. Zum Beispiel berechneten die Autoren, dass eine Orbiter-Mission Ixion nach 17 Jahren Reisezeit erreichen könnte, wenn sie 2039 gestartet würde.

In den späten 2010er Jahren diskutierte eine Designstudie von Glen Costigan und Kollegen Orbitalerfassung und Multi-Target-Szenarien für Kuiper-Gürtelobjekte. Einige Kuiper- Gürtelobjekte, die in diesem speziellen Artikel untersucht wurden, waren 2002 UX 25 , 1998 WW 31 und 47171 Lempo . Eine weitere Designstudie von Ryan McGranaghan und Kollegen aus dem Jahr 2011 untersuchte eine Raumsondenvermessung der großen transneptunischen Objekte Quaoar, Sedna, Makemake, Haumea und Eris.

Interstellare Missionen haben einen Vorbeiflug von Kuipergürtel-Objekten als Teil ihrer Mission bewertet.

Extrasolar Kuiper Gürtel

Trümmerscheiben um die Sterne HD 139664 und HD 53143 – schwarzer Kreis von Kameras, die Sterne verstecken, um Scheiben anzuzeigen.

Bis 2006 hatten Astronomen Staubscheiben aufgelöst, von denen man annahm, dass sie Kuipergürtel-ähnliche Strukturen um neun andere Sterne als die Sonne sind. Sie scheinen in zwei Kategorien zu fallen: breite Gürtel mit Radien von über 50 AE und schmale Gürtel (vorläufig wie die des Sonnensystems) mit Radien zwischen 20 und 30 AE und relativ scharfen Grenzen. Darüber hinaus weisen 15–20% der sonnenähnlichen Sterne einen beobachteten Infrarotüberschuss auf , der auf massereiche Kuipergürtel-ähnliche Strukturen hindeutet. Die meisten bekannten Trümmerscheiben um andere Sterne sind ziemlich jung, aber die beiden Bilder rechts, die vom Hubble-Weltraumteleskop im Januar 2006 aufgenommen wurden, sind alt genug (ungefähr 300 Millionen Jahre), um sich in stabilen Konfigurationen niederzulassen. Das linke Bild ist eine "Draufsicht" eines breiten Gürtels und das rechte Bild ist eine "Randansicht" eines schmalen Gürtels. Computersimulationen von Staub im Kuiper-Gürtel legen nahe, dass er in seiner Jugend den schmalen Ringen um jüngere Sterne ähnelte.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links