Skip to main content

Transneptunianen

Erwin Verwichte
Vendelinus samenkomst 19 oktober 2002



Source: Mark A. Garlick, space-art.co.uk






Geschiedenis


Planeet-X : de ontdekking van Pluto

Enkele decennia na de ontdekking van Neptunus door Urbain Le Verrier wijzen berekeningen op storingen in de baan van Uranus die niet enkel door Neptunus verklaard kunnen worden.

Men ging uit van een grote tiende planeet. William Henry Pickering berekende in 1908 de positie van een tiende planeet maar die werd niet gevonden. Rivaal Percival Lowell gaat ook op zoek naar wat hij noemt Planeet X in de periodes 1905-1907, 1911, 1914-1916. Hij sterft in 1916.

Vesto Slipher zet het werk van Lowell voort en neemt de jonge Clyde Tombaugh aan in 1929 voor het nemen van de foto's. Later doet Tombaugh ook mee aan het zoekwerk zelf en ontdekt hij op 18 februari 1930 een objekt buiten de Neptunusbaan: Pluto.

Pluto blijkt klein te zijn, te klein om de baanstoringen te kunnen verklaren. In 1993 berekent E. Myles Standish uit Voyagergegevens dat de kleine storingen in de Uranusbaan in feite meetfouten zijn.

Percival Lowell Vesto Slipher Clyde Tombaugh

Het bestaan van een Kuipergordel was theoretisch voorspeld! Maar wie verdient de naam?



  • 1930: Frederick Leonard : Leonardgordel
    Obskure publikatie waarin Leonard peinst over het bestaan van objekten buiten de baan van Neptunus en Pluto.


  • 1943: Kenneth Essex Edgeworth : Edgeworthgordel
    Een interstellaire wolk (gas+stof) vormt een schijf waaruit, naast de zon, het zonnestelsel uitcondenseert. Hij zag geen reden waarom deze wolk een scherpe begrenzing zou hebben voorbij de Neptunusbaan.
    Hij veronderstelde dat schijf veel verder rijkt en omdat dichtheid aldaar laag is kunnen enkel kleine objekten, kometen, zich vormen. Hij is de vader van de transneptuniaanse kometengordel.
    Verder suggereert hij dat deze gordel de bron is van kortperiodieke kometen.


  • 1951: Gerard Kuiper : Kuipergordel
    Jan Hendrik Oort stelde in 1950, steunend op een suggestie van Ernest Opik, dat langperiodieke kometen hun oorsprong vinden in een sferische wolk van objekten op een afstand van tienduizende AEs: de Oortwolk
    Gerard Kuiper stelde voor dat kortperiodieke kometen uit een gordel komen die veel dichter bij de zon ligt. Kortperiodieke kometen draaien om de zon in dezelfde richting als de planeten en hun baaninclinatie is klein.


  • 1964: Fred Whipple : Whipplegordel
    Fred Whipple en zijn team onderzocht de banen van medium-periodieke kometen en konkludeert dat de gordel een massa heeft van 0.8 aardmassas als ze op 40 AE zou liggen, en 1.3 in het geval van 50 AE.


  • 1980: Julio Fernandez : Fernandezgordel
    Julio Fernandez toont aan dat het veel waarschijnlijker is dat de kortperiodieke kometen uit de Kuipergordel komen dan uit de Oortwolk.
    Haar theoretisch zorgvuldige werk voorspelt dat:
    • Het gebied tussen 35 en 50 AE zou in het begin 10 zonnemassas bevat hebben.
    • Gravitationele instabiliteit vormde conglomeraten van maximaal massas in de orde van Ceres
    • De gordel werd bij de vorming van de asteroidengordel fel uitgedund.
    • Dat er genoeg objekten zijn van de grootte van Ceres zou genoeg baanstoringen veroorzaken die objekten, als kortperiodieke kometen, richting zon te sturen.
    • Kunnen de objekten gezien worden? Een objekt zoals Ceres op en afstand van 40-50 AE en met een albedo van 0.5, zou een visuele magnitude van 17-18 hebben.
    • Vermoedt dat Chiron, ontdekt in 1977, lid is van de gordel



    Een hint: jonge sterren hebben schijven!




    De ontdekking van Kuiper Belt Objects (KBOs)

    De eerste KBO werd ontdekt door David Jewitt en Jane X. Luu op 30 augustus 1992 na een zoektocht van 5 jaar.
    De KBO heet 1992 QB1, heeft een periode van 290 jaar op een afstand van 44 AE, en een baaninclinatie van 2.2 graden. QB1 heeft een roodachtige kleur dat wijst op koolstof, zoals bij kometen, en heeft een diameter van ongeveer 200-250 km.
    Deze KBO volgt de voorspelling van Kuiper!
    Beelden van de ontdekking
    Maar eigenlijk waren er tervoren al drie KBO's gekend: Pluto, Charon en Triton!




    De Kuipergordel

    • Aantal KBO's met diameters groter dan 100 km ongeveer 35000
    • Maximale grootte van KBO's wordt geschat op 2000 km.
    • Totale massa 100x groter dan de astroidengordel, ~ 0.1 aardmassas
    • Stabiel gebied voor KBOs op 40 AE.
    • buitenste grens voor KBOs op 50 AE.
    • Gemiddelde baaninclinatie is 10 graden.
    • binnenste van gordel wordt door Neptunus naar binnen of buiten geschoten.
    • Dus: KBO's vermijden Neptunus
    • Snelle rotatie
    • Hebben lage dichtheid
    • Rotatie + dichtheid ==> ellipsoide vorm door centrifugale kracht

    Lijst van KBO's


    theoretisch

    gekende KBO's

    Rood = Plutinos
    Blauw = Classical KBO's
    Zwart = Scattered KBOs.


    Inclinatie versus halve-lange as van de banen van KBO's




    Klassieke KBO's (CKBO's)


    • Kleine baaneccentriciteit
    • Halve grote as tussen 42-48 AE
    • Blijven uit de buurt van Neptunus
    • Er is een echte bovengrens bij 50 AE!
    • Grote variatie in baaninclinatie
    • 1992 QB1 is een CKBO

    Mogelijke verklaring voor variatie baaninclinatie:
    1) In het begin waren er objekten ter grootte van de aarde die de boel verstoorden. Niet plausible omwille van het bestaan van Plutinos.
    2) Galactische getijden.
    3) Passage van ster op 100 AE van zon (Ida,2000). Daar de zon uit open sterrenhoop komt, was een dichte sterpassage in het begin wel mogelijk. Dit zou ook de 50 AE bovengrens verklaren.


    Simulatie

    Een bovengrens in protostellaire wolk werd gedetecteerd door HST: proplyds




    Verstrooide KBO's (SKBO's)


    • Perihelium afstand rond 35 AE en aphelium afstand tot 200 AE.
    • Grote baaneccentriciteit en inclinatie
    • SKBO's ontstaan door verstrooiing in het begin van zonnestelsel (Fernandez)
    • Neptunus heeft een zwakke invloed, daarom SKBO's potentiele bron van kortperiodieke kometen
    • De SKBO gordel vormt een buitenste gordel rondom de CKBO's en RKBO's
    • SKBO's representeren slechts 3-4 % van alle KBO's
    • Typisch voorbeeld: 1996 TL66 (diameter = 500 km)
    Lijst van SKBO's en Centauren
    Centauren zijn objekten tussen Jupiter en Neptunus (bvb. Chiron)


    beelden van 1996 TL66

    baan van 1996 TL66



    Resonante KBO's (RKBO's)


    1/3 van de KBO's zijn in een resonantie met Neptunus, de meesten in de 3:2 resonantie.
    Kuiper objekten wiens baan in een 3:2 resonantie is met de planeet Neptunus, i.e. het objekt vervolledigt twee maal een toer rond de zon in de tijd dat Neptunus er drie toeren over doet.
    Pluto is daar een voorbeeld van. Daarom werden deze objekten Plutinos (PKBO's) genoemd.
    Plutinos kunnen de baan van Neptunus kruisen. Ze zijn een potentiele bron van kortperiodieke kometen.
    De 2:1 resonantie met de planeet Neptunus is een stabiele plaats voor KBO's maar is zeer dun bevolkt.
    Verklaring door Shigeru Ida (2000): Neptunus is dichter bij de zon ontstaan en is naar buiten emigreert.
  • tijdschaal > 1 miljoen jaar opdat de 3:2 resonantie opvult.
  • tijdschaal < 10 miljoen jaar opdat de 2:1 resonantie leeg blijft.


    a: halve grote as; e: eccentriciteit; i: inclinatie.
    q: perihelium afstand; Q: aphelion afstand.
    Object a [AE] e i [grad] q [AE] Q [AE]
    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
    Pluto 39.61 0.25 17.17 29.58 49.30



    Grote joekels


    De diameter van een KBO's wordt op twee manieren afgeleid:
    • van zijn helderheid en vermoedde albedo (via IR meting) van het oppervlak.
    • direkte meting uit beelden met hoge resolutie (enkel de joekels)

    Varuna heeft met een albedo van 0.07 een diameter van 900 km.

    In mei 2001 werd 2001 KX76 ontdekt in het Lowell observatorium. Met een albedo van 0.07 (0.04) heeft die een diameter van 960 km (1270 km).

    In juni 2002 wordt Quaoar gevonden. Hij heeft een diameter van 1250 km, gevonden uit direkte metingen. Sinsdien zijn er meerdere nog grotere KBO's gevonden (bijv. Sedna)

    Charon heeft een diameter van 1250 km.

    Vergelijk Quaoar met aarde en maan
    Vergelijk de baan van Quaoar met die van Pluto

    Konklusie: PLUTO IS GEEN PLANEET MAAR EEN KBO!


    H: Absolute magnitude; p: Geometrische albedo; D: Diameter
    Type: Baan klassificatie.
    Object H [mag] p D [km] Type
    Pluto -1 0.6 2320 Plutino
    Charon 1 0.4 1270 Plutino
    Quaoar 2.6 0.12 1200+/-200 Classical
    Ixion 3.2 0.09 1065+/-165 Plutino
    Varuna 3.7 0.07+/-0.02 900+/-140 Classical
    2002 AW197 3.2 0.1 890+/-120 Scattered

    Conversie tussen lichtkracht H naar diameter (voor albedo=0.25 en 0.05)
    Lees van links in km, lees van rechts in m
    
                H        Diameter       H
    
                3.0     670 - 1500     18.0
                3.5     530 - 1200     18.5
                4.0     420 -  940     19.0
                4.5     330 -  740     19.5
                5.0     260 -  590     20.0
                5.5     210 -  470     20.5
                6.0     170 -  370     21.0
                6.5     130 -  300     21.5
                7.0     110 -  240     22.0
                7.5      85 -  190     22.5
                8.0      65 -  150     23.0
                8.5      50 -  120     23.5
                9.0      40 -   95     24.0
                9.5      35 -   75     24.5
               10.0      25 -   60     25.0
               10.5      20 -   50     25.5
               11.0      17 -   37     26.0
               11.5      13 -   30     26.5
               12.0      11 -   24     27.0
               12.5       8 -   19     27.5
               13.0       7 -   15     28.0
               13.5       5 -   12     28.5
               14.0       4 -    9     29.0
               14.5       3 -    7     29.5
               15.0       3 -    6     30.0
               15.5       2 -    5
               16.0       2 -    4
               16.5       1 -    3
               17.0       1 -    2
               17.5       1 -    2
        


    Dubbelsystemen


    Sinds 1977 weten we dat Pluto een dubbelsysteem is met Charon, geniepig genoemd naar de vrouw van de ontdekker (Sharon).

    Dubbelsystemen vormen 1% van de populatie. Hoe zijn ze ontstaan?

    1) Ingevangen, te weinig massa.

    2) Botsing (zoals Aarde-Maan) om de kinetische energie op te vangen. Rond het grootste objekt vormt zich een schijf van materiaal die tot maantje groeit. Dit is plausibel voor Pluto-Charon maar niet voor de kleinere dubbelsystemen.

    3) Zachte botsingen (100 m/s) in het begin van het zonnestelsel toen de dichtheid veel groter was.

    Pluto-Charon


    Ontdekking Pluto-Charon

    HST beeld van Pluto-Charon

    Animatie van Pluto-Charon

    1998 WW31: eerste KBO na Pluto


    Ontdekking van WW31 op 16 april 2001

    1998 SM165



    HST

    1998 TC36: eerste dubbel PKBO na Pluto


    HST

    2001 QW322



    Canada-France-Hawaii telescope

    a: halve grote as; e: eccentriciteit; i: inclinatie.
    Type:PKBO = Plutino, CKBO = Classical, SKBO = Scattered s: Scheidingshoek P: baanperiode [dagen] DMag: Magnitudeverschil
    Object a [km] e i [grad] Type Q [boogsek] P [dagen] DMag
    Pluto 19,600 0.00 96 PKBO 0.9 6.4 3.2
    1998 WW31 22,300 0.8 42 CKBO 1.2 574 0.4
    2001 QT297 ---- --- --- CKBO 0.6 --- 0.5
    2001 QW322 --- --- --- CKBO 4.0 --- 0.4
    1999 TC36 --- --- --- PKBO 0.4 --- 2.2
    1998 SM165 --- --- --- SKBO 0.2 --- 1.9
    1997 CQ29 --- --- --- CKBO 0.2 --- ---
    2000 CF105 --- --- --- CKBO 0.8 --- 0.9




    Het oppervlak van KBO's



    De verwachting: donker en rood
    Verwacht was dat alle KBO's donker en rood zijn door de carbonisatie van het oppervlak door kosmische straling.

    We komen iets te weten over het oppervlak van KBO's door een sprektrum, maar dat is, gezien hun lichtzwakte, een moeilijke taak!

    De kleur van KBO's varieert tussen erg rood (zoals Pholus) en neutraal (zoals Chiron). Hoezo die diversiteit?

    1) Verschillen in samenstelling. Onwaarschijnlijk daar vorming bij T=40-50 K gebeurt.

    2) Botsingen tonen vers, lichter getint oppervlaktemateriaal.

    3) IR spectra door Brown in 1993 tonen de aanwezigheid van bevroren CO en CH4 aan, net zoals bij Pluto (Triton). Dit kan wijzen op gasontsnappingen.



    Luu & Jewitt (1996) met Keck telescoop.
    Pholus (erg rood) en Chiron (neutraal), twee Centauren zijn bijgevoegd ter vergelijk.

    Het oppervlak van Pluto



    Het oppervlak van Triton




    Projekten


    TAOS: Taiwan-American Occulation Survey

    New Horizons

    In 2000 werd de Pluto-Kuiper Express door NASA stilgelegd, maar na een campagne heropent met een vraag naar publieke deelname:

    New Horizons, lancering 2006, passage Pluto 2015,...

    film van trajekt
    film van Pluto-passage



    Referentie: Kuiper belt page van David Jewitt