EL CINTURÓ DE KUIPER

Al 1951 l'astrònom americà d'origen holandès, Gerard Kuiper, que és considerat el pare de la moderna astronomia planetària, va postular que hi havia d'haver una espècie de disc de proto-cometes en el pla del sistema solar, que començaria passada l'òrbita de Neptú, aproximadament entre les 30 i 100 unitats astronòmiques. D'aquest cinturó provindrien els cometes de curt període.

A partir de 1992, amb el descobriment de 1992 QB1 i els altres molts objectes que l'han seguit, es va començar a tenir constància real de l'existència d'una enorme població de petits cossos gelats que orbiten més enllà de l'òrbita de Neptú. Encara que els valors de les estimacions són molt variables, es calcula que existeixen almenys 70.000 "transneptunians" entre les 30 i 50 unitats astronòmiques, amb diàmetres superiors als 100 km. Més enllà de les 50 UA és possible que existeixin més cossos d'aquest tipus, però en tot cas estan fora de l'abast de les actuals tècniques de detecció. Les observacions mostren també que es troben confinats dins d'uns pocs graus per damunt o per sota del pla de l'eclíptica. Aquests objectes se'ls coneix com KBOs (Kuiper Belt Objects).

L'estudi del cinturó de Kuiper és molt interessant per diversos motius:

a) Els objectes que conté són romanents molt primitius de les primeres fases d'acreció del sistema solar. La regió central, més densa, es va condensar per a formar els planetes gegants (les composicions d'Urà i Neptú són quasi idèntiques a la dels cometes). A la regió més i menys densa, l'acreció va progressar lentament, però malgrat tot, es van formar un gran nombre de petits cossos.

b) És acceptat àmpliament que el cinturó de Kuiper és la font dels cometes de curt període, de la mateixa manera que el núvol d'Oort ho és per als de llarg període.

Després del descobriment de 1992 QB1, l'estudi dels objectes transneptunians s'ha convertit en un camp de l'astronomia en molt ràpida evolució, amb grans avanços al camp teòric en els darrers anys. El nombre d'objectes descoberts cada vegada és més gran i poc a poc es van obtenint nous coneixements sobre el seu significat i característiques físiques. El major inconvenient des del punt de vista observacional, és que aquests objectes queden just al límit de la tecnologia actual per a estudiar-els. A més a més, tan sols han pogut explorar-se regions molt reduïdes de cel, per la qual cosa és previsible que ens ofereixin encara moltes sorpreses.

A finals de 1999 ja hi havia al voltant de dos centenars d'objectes transplutonians coneguts amb denominació provisional. Molts d'ells en la ressonància gravitacional 3:2 amb Neptù, igual que Plutó. Es tracta de petits cossos gelats semblants a Plutó i Tritó, però de dimensions més reduïdes. Mesuraments del seu color mostren que acostumen a ser rogencs. S'estima que són molt nombrosos i no es descarta el poder trobar cossos de la grandària de Plutó o fins i tot més grans.

S'ha parlat molt de que els objectes del cinturó de Kuiper estan constituïts per material primigeni a partir del qual es van formar els planetes, per la qual cosa resultaria d'alt interès poder analitzar fragments de cometes. Amb tot, d'acord amb S. Alan Stern, a una escala de 4.600 milions d'anys (edat del sistema solar), el nombre de col·lisions ha d'haver destruït tots els cossos del cinturó amb grandàries inferiors a 35 km. Com a conseqüència, els cometes provenents del cinturó de Kuiper no poden tenir més de 500 milions d'anys. Serien fragments de col·lisions posteriors i estarien molt modificats per la calor generada per aquestes col·lisions, que serien les responsables d'ejectar material cap al sistema solar intern, contituint la base dels cometes de curt període.

 

ELS PLUTINOS

Un resultat sorprenent de les observacions que s'esta obtenint és que molts dels objectes distants estan (o quasi estan) en ressonància 3:2 amb Neptú. Això significa que per a cada tres revolucions al voltant del Sol de Neptú, ells en realitzen dues. Es dóna la circumstancia que aquesta mateixa ressonància també està ocupada per Plutó, i els altres objectes que posseeixen aquestes característiques se'ls anomena "Plutinos" (fills de Plutó o petits Plutons).

a: semieix major; e: excentricitat; i: inclinació.
q: distància periheli; Q: distància afeli.

Objecto	a [UA]	e	i [grad]	q [UA]	Q [UA]
1996 TP66	39.71	0.34	5.7	26.38	53.05
1993 SZ4	39.82	0.26	4.7	29.57	50.07
1996 RR20	40.05	0.19	5.3	32.55	47.55
1993 SB	39.55	0.32	1.9	26.91	52.18
1993 SC	39.88	0.19	5.2	32.24	47.52
1993 RO	39.61	0.20	3.7	31.48	47.73
1993 RP	39.33	0.11	2.8	35.00	43.66
1994 JR1	39.43	0.12	3.8	34.76	44.11
1994 TB	39.84	0.32	12.1	27.05	52.63
1995 HM5	39.37	0.25	4.8	29.48	49.26
1997 QJ4	39.65	0.22	16.5	30.83	48.47
1995 KK1	39.48	0.19	9.3	38.67	46.98
1995 QZ9	39.77	0.15	19.5	33.70	45.85
1995 YY3	39.39	0.22	0.4	30.70	48.08
1996 TQ66	39.65	0.13	14.6	34.59	44.71
Plutón	39.61	0.25	17.17	29.58	49.30

Probablement la ressonància 3:2 actua com a estabilitzador dels Plutinos enfront de les pertorbacions gravitacionals de Neptú. D'aquesta forma, els objectes ressonants poden acostar-se a l'òrbita de Neptú sense que mai puguin xocar amb ell, perquè els seus perihelis es troben allunyats de Neptú. De fet, és ben conegut que l'òrbita de Plutó creua per dins de la de Neptú, però en aquests encontres mai no poden xocar ambdós cossos. Aquesta propietat també és compartida per cert nombre de Plutinos coneguts (per exemple 1993 SB, 1994 TB, 1995 QY9), la qual cosa reforça la seva similitud dinàmica amb Plutó.

Aproximadament el 35% dels objectes transneptunians coneguts són Plutinos. Altres pocs se sospita que resideixen en altres ressonàncies (per exemple 1995 DA2 és probable que estigui a la 4:3). Extrapolant a partir d'aquesta limitada i llunyana àrea examinada, s'estima que el nombre de Plutinos majors de 100 km de diàmetre és de l'ordre de 25.000. Plutó se diferència dels Plutinos per la seva grandària: és el major objecte identificat fins a ara a la ressonància 3:2.

Com va poder arribar a estar tan estesa aquesta ressonància 3:2? Una excitant idea ha sigut explorada per Renu Malhotra. A partir d'un anterior treball de Julio Fernández, ella va suposar que, com a resultat de l'intercanvi de moment angular amb planetèssims en l'estat inicial del sistema solar, els planetes van experimentar una migració radial respecte al Sol. Urà i Neptú, en particular, van llançar una gran quantitat de cometes cap al núvol d'Oort. Com resultat, van canviar les grandàries de les seves òrbites. A mesura que Neptú es movia cap a l'exterior, les ressonàncies del seu moviment mig van anar avançant a través del disc planetessimal circumdant. Malhotra ha examinat aquest procés numèricament, trobant que realment els objectes poden ser atrapats en ressonàncies a mesura que Neptú es mou, i les seves excentricitats i inclinacions són arrossegades en aquest procés.

Aquest escenari té el mèrit de ser una conseqüència natural de l'intercanvi de moment angular amb els planetessimals: no hi ha cap dubte que va existir un intercanvi de moment angular. Malgrat això, alguns investigadors no estan segurs de si Neptú es va moure cap a fora o cap a dins del sistema solar, qüestionant la distància que aquest planeta va poder moure's. També fan notar que la inclinació de Plutó és molt major que la típica dels objectes de les simulacions de Malhotra (i també fan notar que la inclinació de 1995 QZ9 és encara més gran que la de Plutó).

Actualment la situació dinàmica no està clara, però en opinió de Jewitt, la hipòtesi dels "planetes mòbils" pot ser tan bona com qualsevol altra i molt millor que la majoria. No obstant això, l'última hipòtesi sobre l'origen dels plutinos també és molt suggeridora. Serien els fragments d'un impacte catastròfic sofert pel proto-plutó en els primers temps de la formació del sistema solar. També té la virtut d'explicar la naturalesa del sistema Plutó-Caront. En aquest cas, l'origen de Plutó podria haver sigut independent del cinturó de Kuiper, la qual cosa en cert mode donaria la raó els què defensen que ha de ser considerat un autèntic planeta.

PLUTÓ I ELS PLUTINOS

Amb el descobriment de nombrosos objectes del cinturó de Kuiper surt a la palestra el significat i la naturalesa de Plutó. Com s'ha descrit, l'òrbita de Plutó no difereix de les òrbites del gran nombre de plutinos descoberts. La principal característica que el distingeix és la seva grandària, més de dues vegades major que el de qualsevol altre objecte del cinturó de Kuiper. El diàmetre de Plutó és de 2.200 km enfront dels 900 km del major KBO conegut. La grandària de Plutó li proporciona altres característiques, com la capacitat per a retenir una tènue atmosfera que es deposada gelada sobre la seva superfície. Per aquesta raó el seu albedo és molt alt, del 60% comparat amb el 4% que s'estima als KBOs. No obstant això, aquesta diferència és secundària, doncs és quasi segur que es trobaran KBOs prou grans com per a poder tenir superfícies gelades (tal vegada ja han sigut trobats).

Posades així les coses, com diu Jewitt, hi ha dos camins. O es contempla Plutó com el planeta més petit, amb el més peculiar moviment, amb l'òrbita més excèntrica i inclinada de tots els planetes, o bé acceptem que Plutó és el KBO major conegut, però d'altra banda completament típic entre els objectes de la seva classe. Cadascú pot prendre partit per una de les dues posicions, com a opció personal, però des del punt de vista d'intentar conèixer el seu origen i significat només hi ha una resposta: l'excentricitat i inclinació de Plutó té el mateix origen que les excentricitats i inclinacions dels altres (probables) 25.000 plutinos amb diàmetres superiors als 100 km, que possiblement van ser arrossegats per la migració radial de Neptú. El procés que va configurar les òrbites dels KBOs és el mateix que va proporcionar a Plutó les seves característiques dinàmiques.

La conclusió seria que es van dedicar molts esforços per a descobrir el desè planeta i al final el que es va trobar és que només hi havia 8... I no fa molt, hi va haver un gran enrenou en els E.E. U.U. quan es va insinuar la possibilitat de catalogar Plutó com el major cos conegut del cinturó de Kuiper, interpretant-se que era "degradar-el" a la categoria d'asteroide o de cometa. De fet, hi ha qui pensa que només és una qüestió de temps el trobar al cinturó de Kuiper objectes de major grandària que Plutó. Malgrat tot, en el seu origen Plutó tal vegada va poder haver estat un planeta "normal" com puguin ser-ho Urà o Neptú, independent dels altres objectes del cinturó. En Efecte, Stern indica que la força gravitacional de Neptú podria ser capaç d'erosionar un planeta d'unes 30 masses terrestres situat en la vora interna del cinturó de Kuiper, per a deixar-el en els nostres dies amb una massa 100 vegades menor. Tal vegada aquest podria haver sigut el cas de Plutó-Caront. Aquestes forces gravitacionals s'estendrien fins una distància d'unes 70 UA del Sol. A partir d'allí és possible que existeixin cossos majors que superin diverses vegades la grandària de Plutó, és a dir, autèntics planetes. Amb la sèrie de grans telescopis que s'estan posant en servei, podrien detectar-se, encara que si estan molt allunyats pot resultat una tasca realment difícil, doncs la llum solar que els arriba és tan petita que a penes han de brillar i, si estan molt allunyats, ni això.

A manera de resum, només a la part més interna del cinturó, fins a juny del 2000 ja s'havien descobert 300 objectes, algun d'ells fins a 500 km de diàmetre (el darrer en podria tenir 900), estimant-se que n'hi pot haver uns 100.000 de més de 100 km de diàmetre. Evidentment, els majors coneguts fins ara són Plutó-Caront. Tot aquest material, junt amb els fragments escampats més lluny, han de constituir un disc de pols i cossos majors semblant al de Beta Pictoris.

 

LA SUPERFÍCIE DELS KBOs

Al ser tan dèbils els objectes del cinturó de Kuiper és un autèntic desafiament el poder obtenir informació útil de les propietats de la seva superfície. Això ho van intentar Luu i Jewitt al 1996 amb diversos KBOs i Centaures. Els espectres van resultar molt difícils d'obtenir fins i tot amb el telescopi Keck de 10 metres de diàmetre. Van trobar que exhibeixen un ampli rang de colors òptics, des del neutre (reflecteixen igual en totes longituds d'ona) al molt roig (reflecteixen molt millor el roig que el blau). La gran dispersió de colors òptics suggereix una considerable diversitat en els materials presents a les superfícies dels KBOs i els Centaures.

Com explicar aquesta gran varietat? S'esperava que totes les superfícies dels KBOs fossin roges i negres, com resultat del continu bombardeig de raigs còsmics. Els raigs còsmics provoquen una pèrdua selectiva de l'hidrogen dels components de la superfície, promovent la formació de polímers complexes, molts dels quals són foscos i rojos a causa del seu alt contingut de carbó. Luu i Jewitt per a explicar aquesta diversitat, proposen que els KBOs posseeixen intrínsecament diferents composicions i els distints colors són "traçadors" de la seva composició. En el cinturó d'asteroides, aquests posseeixen diferents composicions que estan relacionades amb les temperatures dels llocs on es van formar. Els KBOs, pel que se sap d'ells, es van formar més o menys on ara es troben, a l'espai que hi ha més enllà de Neptú. Les seves temperatures de formació tenien de ser entre 40 i 50 K, per la qual cosa no està clar com poden haver-hi aquestes diferències de composició. Una altra explicació és que les col·lisions entre aquests objectes poden haver remogut la superfície enfosquida pels raigs còsmics, posant al descobert material "fresc" de sota.

 

Grup d'Estudis Astronòmics