Wraz z odkryciem Plutona znaleziono pierwszy obiekt poruszający się po względnie kołowej orbicie (ekscentryczność: 0,2444), większej od orbity Neptuna. Z czasem znana ilość takich obiektów zwiększała się, a razem zostały nazwane Pasem Kuipera lub Pasem Edgewortha-Kuipera, ponieważ to oni spekulowali o istnieniu kolejnych ciał znajdujących się jeszcze dalej od Słońca niż Pluton.

Kształt i rozmiar

Pas Kuipera zajmuje obszar, który rozciąga się w przybliżeniu od 30 do 50 jednostek astronomicznych od Słońca, przy czym dolna granica odpowiada orbicie Neptuna. Ma kształt zgrubionego dysku, a właściwie najbardziej przypomina wypełnionego torusa. Choć szacuje się, że znajdują się tam setki tysięcy obiektów o średnicy co najmniej stu kilometrów, znanych jest zaledwie kilka tysięcy takich ciał. Pomimo ogromnej ilości znajdujących się tam obiektów, przyjmuje się, że ich łączna masa nie przekracza 10% masy Ziemi.

ESO

Obraz ukazujący względne wielkości największych ciał Pasa Kuipera. Największy jest Pluton i jego księżyce. Warto zauważyć widniejącą w prawym górnym rogu podziałkę odmierzającą tysiąc kilometrów.

Powstanie

Zgodnie z aktualnym stanem wiedzy Pas Kuipera to pozostałość po ewolucji Układu Słonecznego. Początkowo łączna masa ciał, które się tam znajdowały, mogła wynosić nawet kilkadziesiąt razy więcej niż obecnie. Zmieniło się to prawdopodobnie ze względu na zjawisko nazywane migracją planet. Kiedy Układ Słoneczny był bardzo młody, perturbacje orbit Jowisza i Saturna spowodowały wypchnięcie Urana i Neptuna dalej od Słońca. Silna grawitacja Neptuna wpłynęła na trajektorie wielu ciał, często zrzucając je w głąb Układu Słonecznego, a to z kolei wypychało Neptuna na jeszcze dalszy tor. To samo zjawisko w przypadku Jowisza powodowało wyrzucenie większość tych obiektów poza Układ Słoneczny lub na bardzo odległe orbity (takie jak Obłok Oorta). Co ciekawe jest możliwe, że Tryton (księżyc Neptuna) oraz Febe (księżyc Saturna) mogą być przechwyconymi obiektami Pasa Kuipera, na co wskazuje m.in. okrążanie swych planet w przeciwnym kierunku niż inne księżyce i rotacja planety.

Historia badań

Kiedy w 1930 roku odkryto Plutona, nie istniały jeszcze rozwinięte teorie na temat obecności większej liczby ciał w tamtym rejonie. I choć pierwsze spekulacje na temat ich powstały już w latach czterdziestych ubiegłego wieku, na znalezienie drugiego obiektu Pasa Kuipera musiano czekać aż do 1992 roku, czyli przez sześćdziesiąt dwa lata. Było to spowodowane tym, że większość omawianych ciał jest dość mała w porównaniu do Plutona i mają ciemniejszą powierzchnię. Pierwszą sondą kosmiczną, która dotarła do Pasa Kuipera był Pioneer 10 w 1983 roku. Nie przeprowadziła ona jednak żadnych badań na temat znajdujących się tam obiektów. Pierwsze badania tych ciał z bliska przeprowadziła sonda New Horizons odwiedzając Plutona, jego księżyce oraz Arrokotha.

NASA

Zdjęcie Arrokotha podczas przelotu sondy New Horizons. Arrokoth w języku rdzennych Amerykanów oznacza niebo. Warto zauważyć, że jest to układ podwójny kontaktowy. Oznacza to, że składa się z dwóch stykających się ciał okrążających wspólny środek masy. Spora liczba obiektów Pasa Kuipera posiada księżyce lub znajduje się w układach podwójnych. Co ciekawe, Arrokoth jest najdalszym obiektem zbadanym przez sondę.

Skład

Wśród obiektów Pasa Kuipera można znaleźć nie tylko takie, które składają się ze skał lub zamarzniętej wody, ale również te, w których występują inne związki w postaci stałej, takie jak metan czy amoniak. Ponadto wśród znajdujących się tam ciał występuje więcej różnic, takich jak kolor, rozmiar czy kształt. Jednak największe znaczenie mają rozmiar i kształt (ekscentryczność i inklinacja) orbit, ponieważ te informacje mówią o historii danego ciała. Ta cecha sprawiła, że stały się podstawą do pogrupowania odkrytych obiektów na różne populacje.

Rezonujące obiekty Pasa Kuipera

Neptun miał i nadal ma duży wpływ na orbity znajdujących się tam ciał. Ze względu na dużą masę najdalszej planety, wiele z nich znajduje się w rezonansie orbitalnym z nim. Oznacza to, że na określoną liczbę orbit Neptuna przypada pewna liczba orbit rozpatrywanego obiektu. Dla przykładu Pluton jest w rezonansie 3:2, czyli w czasie dwóch okrążeń Neptuna wokół Słońca Pluton wykonuje trzy takie okrążenia. Co ciekawe, inne obiekty Pasa Kuipera, które są w rezonansie orbitalnym 3:2 określa się plutonkami. Do innych często występujących rezonansów należy 1:1, 2:1 oraz 4:3. Warto wspomnieć, że takie zgrupowania wokół rezonansu orbitalnego z Neptunem, są przeciwieństwem przerw Kirkwooda, które występują w Pasie Planetoid.

Renu Malhotra

Wykresy ze znanymi (na rok 2019) obiektami Pasa Kuipera. Na górnym wykresie widać ekscentryczność orbit od półosi wielkiej w jednostkach astronomicznych, a na dolnym inklinację w stopniach od półosi wielkiej. Linie pionowe oznaczają stosunki rezonansów z Neptunem. Zielony owal wskazuje na zimne klasyczne obiekty Pasa Kuipera. Natomiast żółte owale wskazują na obiekty dysku rozproszonego.

Klasyczne obiekty Pasa Kuipera

Według obecnych teorii ciała, które znajdowałyby się za Neptunem, powinny poruszać się po prawie kołowych orbitach i mieć niewielką inklinację (tzn. orbity powinny się znajdować w okolicach płaszczyzny ekliptyki). Obiekty, których orbity przypominają te oryginalne, są nazywane klasycznymi i występują w przybliżeniu od czterdziestu do pięćdziesięciu jednostek astronomicznych od Słońca.

Wewnątrz tej populacji istnieje podział na „gorące” i „zimne” ciała, przy czym klasyfikacja, wbrew intuicji, nie opisuje temperatury, lecz orbity. „Gorące” obiekty poruszają się po bardziej eliptycznych orbitach (większy mimośród) oraz są bardziej nachylone do ekliptyki (większa inklinacja) w porównaniu do „zimnych” ciał, których tor ruchu bardziej przypomina tor ruchu planet. Za tą różnicę prawdopodobnie odpowiada Neptun. Podczas gdy na „zimne” obiekty silna grawitacja gazowego olbrzyma nie wywarła dużego wpływu, tak „gorące” ciała mają zmieniony kształt i nachylenie orbity ze względu na występujące w przeszłości interakcje z Neptunem.

Dysk Rozproszony

Chociaż część astronomów odróżnia Pas Kuipera i Dysk Rozproszony jako dwa oddzielne rejony, tak ich powierzchnie w pewnej części się pokrywają. Obiekty do niego należące mają często bardzo ekscentryczne orbity i nierzadko dużą inklinację. W ciągu ruchu wokół Słońca mogą oddalać się od niego o nawet setki jednostek astronomicznych. Podobnie do Pasa Kuipera, na umiejscowienie Dysku Rozproszonego duży wpływ miała migracja Neptuna w trakcie formowania się Układu Słonecznego.

WilyD

Znane (na rok 2015) obiekty zewnętrzne Układu Słonecznego, w odległości do sześćdziesięciu jednostek astronomicznych od Słońca, które jest reprezentowane przez żółtą kropkę na środku. Czerwonym kolorem oznaczono planety. Na szaro zaznaczone są planetoidy trojańskie Jowisza (Obóz Greków i Obóz Trojańczyków). Centaury zaznaczono na zielono, a planetoidy trojańskie Neptuna na fioletowo. Wyraźnie widać wymieszane ze sobą obiekty Pasa Kuipera oraz dysku rozproszonego, które są reprezentowane kolejno niebieskim i pomarańczowym kolorem. Podziałka w obu osiach wyraża odległości w jednostkach astronomicznych.

Jako źródło komet

Poza obłokiem Oorta komety pochodzą z Pasa Kuipera. Zdarza się, że obiekty do niego należące zderzają się ze sobą, powodując powstanie mniejszych ciał często o innych orbitach niż pierwotna. Następnie Neptun przy pomocy swojej silnej grawitacji może powodować zakrzywienie toru ruchu tych obiektów, które się do niego za bardzo zbliżą, powodując zrzucenie ich w głąb Układu Słonecznego. Działa tutaj podobny mechanizm, jaki występował podczas migracji planet. Jest jednak pewna różnica. W tym wypadku Jowisz nie wyrzuca tych ciał poza Układ Słoneczny (ponieważ nie byłyby wtedy kometami), tylko może jeszcze bardziej skrócić ich okres obiegu wokół Słońca – nierzadko do poniżej dwudziestu lat. Ze względu na częste przebywanie blisko Słońca, komety te szybko tracą wszelkie zamrożone związki, które łatwo parują. Co ciekawe, część z asteroid przelatujących blisko orbity Ziemi, powstała właśnie w takim procesie. Oznacza to, że pochodzą z Pasa Kuipera. Jednak takie ciała rzadko pozostają długo na uzyskanych orbitach. Wiele z nich zderza się z planetami lub Słońcem. Natomiast bliski przelot obok Jowisza może poskutkować rozerwaniem obiektu przez siły pływowe lub wyrzuceniem z Układu Słonecznego.

Korekta – Antonina Habrat, Alex Rymarski