Pas Kuipera to prawdziwe rubieże naszego systemu planetarnego. Dopiero zaczynamy badać ten odległy obszar. Nasze zrozumienie tego, co dzieje się na krańcach Układu Słonecznego, wciąż ewoluuje.
Do tej pory tylko dwie sondy kosmiczne zapuściły się w ten rejon. Były to statki Pioneer 10, którego głównym celem badań być Jowisz i jego księżyce, oraz New Horizons. Celem tej drugiej misji był Pluton, planeta karłowata znajdująca się w Pasie Kupiera. Po przelocie w pobliżu niegdyś dziewiątej planety od Słońca, New Horizons zapuściła się w głąb kłębowiska lodowych skał przemieszczających daleko za orbitą Neptuna. W trakcie rozszerzonej misji odwiedziła odległe lodowe światy, w tym Arrokoth, „kosmicznego bałwana”.
Podobnie jak główny pas planetoid, Pas Kuipera został ukształtowany przez orbitę olbrzymiej planety. Podczas gdy gazowy gigant Jowisz wytworzył strukturę rozciągającą się za Marsem, orbita Neptuna uniemożliwiła materii zlanie się w dużą planetę. W ten sposób „wyrzeźbiła” dysk Pasa Kuipera.
Czym jest Pas Kuipera?
W największym skrócie, jest to zbiór niewielkich, lodowych ciał, które krążą wokół Słońca dalej niż Neptun. Lodowe ciała mieszczące się w tym obszarze nazywane są obiektami Pasa Kuipera lub w skrócie KBO. Wiemy o tysiącach takich obiektów, a kolejne setki tysięcy większych niż 100 km średnicy wciąż czekają na odkrycie i zmierzenie przez astronomów.
Każdy z nich jest małą pozostałością materiału planetarnego, który uformował się gdzieś w Układzie Słonecznym. Potem został umieszczony na swojej obecnej orbicie przez delikatne oddziaływania grawitacyjne planet.
Pluton to obiekt Pasa Kuipera
Najbardziej znanym KBO jest Pluton. Jednym z powodów, dla których został zdegradowany z planety do planety karłowatej, było odkrycie tysięcy innych KBO krążących w tym samym regionie. Tylko Pluton i jeszcze jeden KBO, Arrokoth, kiedykolwiek zostały odwiedzone przez ziemskie urządzenie. W 2015 roku Plutona odwiedziła sonda New Horizons, która następnie dotarła do Arrokoth w 2019 roku.
Pluton jest bardzo sferyczny, są na nim góry z lodu wodnego i lodowce azotowe. Ma też pięć księżyców. Arrokoth ma tylko 30 km średnicy, jest bardzo czerwony i ma kształt bałwana. Wszystkie inne KBO były badane tylko za pomocą teleskopów. Jednak nawet najlepsze teleskopy na Ziemi i na orbicie nadal widzą je jako kropki. Dlatego nie wiemy za wiele o ich kształtach i kolorach.
Jak rozległy jest Pas Kuipera?
Dzięki badaniu Pasa Kuipera dowiedzieliśmy się m.in, że Neptun uformował się znacznie bliżej Słońca niż jest dzisiaj, i migrował na zewnątrz. Symulacje komputerowe pokazały, że KBO, które widzimy dzisiaj, zostały wepchnięte na swe orbity poprzez ruch Neptuna.
NASA twierdzi, że wewnętrzna krawędź Pasa Kuipera zaczyna się na orbicie Neptuna, w odległości około 4,8 mld km od Słońca. Jego główna część kończy się na około 7,4 mld km od gwiazdy. Oznacza to, że środkowa część Pasa Kuipera znajduje się w odległości 30 AU (jednostek astronomicznych) od Słońca, a koniec jego głównego obszaru w odległości około 50 AU. Jest to odleglejszy, bardziej nieuporządkowany region Pasa Kuipera zwany "dyskiem rozproszonym”.
Odległości te oznaczają, że Pas Kuipera jest jedną z największych struktur w Układzie Słonecznym. Ale wcale nie jest najodleglejszym pasmem lodowych ciał w Układzie Słonecznym. Naukowcy stawiają hipotezę, że jeszcze dalej niż Pas Kuipera znajduje się zbiór obiektów zwany Obłokiem Oorta, który jest często mylony z Pasem Kuipera.
Odkrycie Pasa Kuipera
Pas Kuipera został nazwany na cześć holenderskiego astronoma Gerarda Kuipera (1905–1973), który w 1951 roku zaproponował istnienie za Neptunem przypominającego dysk obszaru lodowych obiektów. Z tego miejsca miały pochodzić komety przemieszczające się w naszym układzie planetarnym.
Przed pracami Kuipera, pierwszym odkrytym obiektem Pasa Kuipera był Pluton. Został znaleziony przez Clyde’a Tombaugha w obserwatorium Lowella w lutym 1930 roku. Oznacza to, że astronomowie odkryli Pas Kuipera, wcale o tym nie wiedząc. Znalezienie Plutona doprowadziło do spekulacji na temat innych obiektów istniejących poza Neptunem, czyli tzw. obiektów transneptunowych.
W 1943 roku irlandzki astronom Kenneth Edgeworth opublikował artykuł, w którym przekonywał, że ciała Układu Słonecznego i ich rozmieszczenie nie były ograniczone orbitą Plutona. Można to uznać za genezę koncepcji Pasa Kuipera. Chociaż Kuiper przedstawił znacznie silniejsze argumenty na rzecz tej idei osiem lat później, wielu astronomów nazwało to pasmo lodowych ciał „Edgeworth-Kuiper” w uznaniu wkładu Edgewortha.
Na potwierdzenie istnienia Pasa Kuipera trzeba było poczekać kolejne cztery dekady. W 1992 roku naukowcy z Uniwersytetu Hawajskiego Dave Jewitt i Jane Luu odkryli małe ciało krążące wokół Słońca za Neptunem. Obiekt ten, tzw. pierwszy klasyczny TNO (Obiekt Transneptunowy), został ostatecznie oznaczony jako 1992QB1. Doprowadziło to do odkrycia tysięcy kolejnych obiektów Pasa Kuipera.
Powodami, dla którego tak długo to trwało, są rozmiar i odległość tych lodowych skał. Według NASA w Pasie Kuipera mogą znajdować się tryliony obiektów, w tym setki tysięcy takich o średnicach większych niż 100 km.
Planety karłowate w Pasie Kuipera
W Pasie Kuipera znajduje się pięć znanych planet karłowatych:
- Eris,
- Haumea,
- Makemake,
- Quaoar,
- Pluton.
Wiele z tych planet karłowatych ma własne księżyce, a nawet własne słabe systemy pierścieni. Naukowcy niedawno zauważyli pierścień wokół Quaoar, który ma również swój własny księżyc zwany Weywot. Odkryto, że około 80 KBO ma towarzyszy o podobnych rozmiarach. To oznacza, że nie można dokładnie określić, które ciało jest głównym ciałem, a które księżycem. Takie układy są określane jako „binarne KBO”.
Największymi obiektami Pasa Kuipera są Pluton i Eris. Pluton ma średnicę około 2 380 km. Średnica Eris jest nieco mniejsza i wynosi około 2 330 km. Istnieje też aż siedem innych znanych obiektów Pasa Kuipera o średnicach między około 950 m a 1500 m.
Właściwości obiektów Pasa Kuipera
KBO mogą różnić się współczynnikiem odbicia powierzchni (tzw. albedo). Na przykład Pluton odbija około 60 proc. padającego na niego światła słonecznego. Dla porównania, Ziemia odbija zaledwie 10 proc. Inne KBO mają ciemniejsze powierzchnie o współczynniku odbicia od 20 proc. do zaledwie 4 proc. John Hopkins University Applied Physics Laboratory sugeruje, że najciemniejsze z tych obiektów mogą być bogate w złożone polimery zawierające węgiel.
Uważa się, że kolor obiektów Pasa Kuipera waha się od ciemnoszarego do czerwonego. Arrokoth, odkryta przez zespół naukowy New Horizons w 2014 roku za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, składa się z dwóch płatów i jest częściowo spłaszczona.
„Głowa” i „korpus” tego kosmicznego bałwana o długości 35 kilometrów, szerokości 20 km i grubości ok. 10 km składają się z dwóch oddzielnych ciał, które połączyły się w jedno. To tzw. „kontaktowy układ binarny”. Jednak, w przeciwieństwie do swojego imiennika bałwana, obiekt, który nosił nazwę „Ultima Thule” przed 2019 rokiem, jest wyjątkowo czerwony.
Dziewiąta planeta Układu Słonecznego
Być może najbardziej tajemniczym hipotetycznym lokatorem Pasa Kuipera jest tzw. Planeta X. Niektórzy sądzą, że ta nieodkryta jeszcze, dziewiąta planeta Układu Słonecznego krąży daleko za Plutonem, ma wielkość Neptuna i porusza się po bardzo wydłużonej orbicie.
Podstawowym dowodem tej hipotezy, jak zaproponowano w 2015 roku, jest dziwna, wydłużona orbita niektórych mniejszych KBO na obrzeżach Pasa Kuipera. Może to być spowodowane grawitacyjnym wpływem nieodkrytego masywnego obiektu. Jednak dowody poza tym były rzadkie i kontrowersyjne.
Ewolucja Pasa Kuipera
Pas Kuipera, jaki widzimy dzisiaj, może być o wiele bardziej pusty niż kiedyś. Obserwacje prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego doprowadziły do opracowania „modelu nicejskiego”. Sugeruje on, że Pas Kuipera mógł kiedyś zawierać materiał o masie równej 10 lub nawet 100 masom Ziemi, czyli sto razy więcej niż teraz.
Utrata tej masy nastąpiła prawdopodobnie w wyniku przesunięcia orbit gazowych olbrzymów: Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Według NASA, gdy dwie ostatnie planety zostały zmuszone do dryfowania na zewnątrz orbit Saturna i Jowisza, zakrzywiły ścieżkę wielu lodowych obiektów do wewnątrz. Wielka grawitacja Jowisza wystrzeliła je na krawędź Układu Słonecznego, prawdopodobnie tworząc Obłok Oorta.
Pas Kuipera do dziś ulega erozji. Obiekty tam zderzają się, tworząc mniejsze fragmenty kolizyjne, które zderzają się ponownie, mieląc te obiekty na pył. Pył ten jest następnie wydmuchiwany z Układu Słonecznego przez strumienie naładowanych cząstek ze Słońca, znane jako wiatr słoneczny.
