El cinturón de Kuiper y los KBO's.

En profundidad.
El Cinturón de Kuiper se encuentra en la llamada "tercera zona" de nuestro sistema solar, más allá de los planetas terrestres (zona interior) y los gigantes gaseosos (zona media). Esta vasta región contiene miles de millones de objetos, incluidos cometas, planetas enanos como Plutón y "planetesimales" como Ultima Thule. Se cree que los objetos en esta región están congelados en el tiempo, reliquias que quedaron de la formación del sistema solar. Crédito: NASA / JHUAPL / SwRI.

El Cinturón de Kuiper es una gran región en los fríos extremos de nuestro sistema solar más allá de la órbita de Neptuno, a veces llamada la "tercera zona" del sistema solar. Los astrónomos creen que hay millones de objetos pequeños y helados en esta región, incluidos cientos de miles que tienen más de 60 millas (100 kilómetros) de ancho. Algunos, incluido Plutón, tienen más de 600 millas (1.000 kilómetros) de ancho. Además de la roca y el hielo de agua, los objetos en el cinturón de Kuiper también contienen una variedad de otros compuestos congelados como el amoníaco y el metano.

La región lleva el nombre del astrónomo Gerard Kuiper, quien publicó un artículo científico en 1951 que especuló sobre objetos más allá de Plutón. El astrónomo Kenneth Edgeworth también mencionó objetos más allá de Plutón en documentos que publicó en la década de 1940, y por eso a veces se le conoce como el cinturón de Edgeworth-Kuiper. Algunos investigadores prefieren llamarlo Región Trans-Neptuniana y se refieren a los objetos del Cinturón de Kuiper (KBO) como objetos trans-Neptunianos, o TNO.

Cualquiera que sea su término preferido, el cinturón ocupa un volumen enorme en nuestro sistema planetario, y los pequeños mundos que lo habitan tienen mucho que decirnos sobre la historia temprana del sistema solar.

Tamaño y distancia.
El Cinturón de Kuiper es una de las estructuras más grandes de nuestro sistema solar, otras son la Nube de Oort, la heliosfera y la magnetosfera de Júpiter. Su forma general es como un disco hinchado o dona. Su borde interior comienza en la órbita de Neptuno, a aproximadamente 30 UA del Sol. (1 UA, o unidad astronómica, es la distancia desde la Tierra hasta el Sol). La región principal interna del cinturón de Kuiper termina a aproximadamente 50 UA del Sol. La superposición del borde exterior de la parte principal del Cinturón de Kuiper es una segunda región llamada disco disperso, que continúa hacia afuera hasta casi 1.000 UA, con algunos cuerpos en órbitas que van incluso más allá.

Hasta el momento, los observadores han catalogado más de 2,000 objetos trans-neptunianos, que representan solo una pequeña fracción del número total de objetos que los científicos creen que están ahí fuera. De hecho, los astrónomos estiman que hay cientos de miles de objetos en la región que tienen más de 60 millas (100 kilómetros) de ancho o más. Sin embargo, se estima que la masa total de todo el material en el Cinturón de Kuiper no es más del 10 por ciento de la masa de la Tierra.

Formación / Orígenes.
Los astrónomos creen que los objetos helados del Cinturón de Kuiper son restos de la formación del sistema solar. Similar a la relación entre el cinturón principal de asteroides y Júpiter, es una región de objetos que podrían haberse unido para formar un planeta si Neptuno no hubiera estado allí. En cambio, la gravedad de Neptuno agitó esta región del espacio tanto que los objetos pequeños y helados no pudieron unirse en un gran planeta.

La cantidad de material en el cinturón de Kuiper hoy podría ser solo una pequeña fracción de lo que originalmente estaba allí. De acuerdo con una teoría bien apoyada, las órbitas cambiantes de los cuatro planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) podrían haber causado que la mayoría del material original, probablemente de 7 a 10 veces la masa de la Tierra, se perdiera.

La idea básica es que al principio de la historia del sistema solar, Urano y Neptuno se vieron obligados a orbitar más lejos del Sol debido a los cambios en las órbitas de Júpiter y Saturno. A medida que avanzaban hacia el exterior, atravesaron el denso disco de cuerpos pequeños y helados que quedaron después de que se formaron los planetas gigantes. La órbita de Neptuno fue la más alejada, y su gravedad dobló los caminos de innumerables cuerpos helados hacia el interior hacia los otros gigantes. En última instancia, Júpiter arrojó la mayoría de estos cuerpos helados en órbitas extremadamente distantes (para formar la Nube de Oort) o fuera del sistema solar por completo. Cuando Neptuno arrojó objetos helados hacia el sol, esto provocó que su propia órbita se desviara aún más, y su influencia gravitatoria obligó a los objetos helados restantes a ubicarse en el rango de lugares donde los encontramos en el Cinturón de Kuiper.

Hoy el Cinturón de Kuiper se está erosionando lentamente. Los objetos que permanecen allí ocasionalmente chocan, produciendo objetos más pequeños fragmentados por la colisión, a veces cometas y también polvo que es expulsado del sistema solar por el viento solar.

Los verdaderos colores de Plutón. Estas son las imágenes en color natural más precisas de Plutón tomadas por la nave espacial New Horizons de la NASA en 2015. Estas imágenes en color natural son el resultado de la calibración refinada de los datos recopilados por la cámara multispectral de imagen visible a color (MVIC) de New Horizons. El procesamiento crea imágenes que se aproximarían a los colores que percibirá el ojo humano, acercándolos al "color verdadero" que a las imágenes publicadas cerca del encuentro. Esta imagen se tomó mientras New Horizons se dirigía a Plutón y sus lunas el 14 de julio de 2015, desde un rango de 22,025 millas (35,445) kilómetros. Este escaneo MVIC de un solo color no incluye datos de otras imágenes o instrumentos de New Horizons agregados. Las características sorprendentes de Plutón son claramente visibles, incluida la brillante extensión del "corazón" de Plutón, helado, rico en nitrógeno y metano, de Plutón. Fuente: NASA / Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins / Southwest Research Institute / Alex Parker.

Estructura y características.
El Cinturón de Kuiper representa un enorme volumen de espacio en forma de rosquilla en el sistema solar exterior. Si bien hay muchos cuerpos helados en esta región a los que, en términos generales, nos referimos como Objetos del Cinturón de Kuiper (KBO) u Objetos Trans-Neptunianos (TNO), son bastante diferentes en tamaño, forma y color. Y, lo que es más importante, no están distribuidos uniformemente a través del espacio: una vez que los astrónomos comenzaron a descubrirlos a principios de la década de 1990, una de las primeras sorpresas fue que las KBO se podían agrupar de acuerdo con las formas y tamaños de sus órbitas. Esto llevó a los científicos a comprender que existen varios grupos o poblaciones distintas de estos objetos cuyas órbitas proporcionan pistas sobre su historia. La categoría a la que pertenece un objeto tiene mucho que ver con la forma en que ha interactuado con la gravedad de Neptuno a lo largo del tiempo.

La mayoría de los objetos en el Cinturón de Kuiper se encuentran en la parte principal del cinturón o en el disco disperso:

KBOs clásicos.
Una gran fracción de KBOs orbitan al Sol en lo que se llama el clásico Cinturón de Kuiper. El término "clásico" se refiere al hecho de que, entre los KBO, estos objetos tienen órbitas más similares a la idea original o clásica de cómo se esperaba que fuera el Cinturón de Kuiper, antes de que los astrónomos comenzaran a encontrar objetos allí. (La expectativa era que, si hubiera objetos más allá de Neptuno, estarían en órbitas relativamente circulares que no se inclinan demasiado desde el plano de los planetas. En cambio, se encuentra que muchos KBOs tienen órbitas significativamente elípticas e inclinadas. Por lo tanto, hasta cierto punto, la clasificación de KBOs todavía refleja nuestra comprensión evolutiva de esta región distante del sistema solar.)

Hay dos grupos principales de objetos en el clásico Cinturón de Kuiper, denominados "frío" y "caliente". Estos términos no se refieren a la temperatura, sino que describen las órbitas de los objetos, junto con la cantidad de influencia que la gravedad de Neptuno ha tenido sobre ellos.

Todas las KBO clásicas tienen una distancia promedio similar al Sol entre aproximadamente 40 y 50 UA. Las KBO clásicas frías tienen órbitas relativamente circulares que no están inclinadas muy lejos del plano de los planetas; Las KBO clásicas calientes tienen más órbitas elípticas e inclinadas (a las que los astrónomos se refieren como excéntricas e inclinadas, respectivamente). Esto significa que la variedad fría pasa la mayor parte de su tiempo a aproximadamente la misma distancia del Sol, mientras que las cálidas vagan en un mayor rango de distancias desde el Sol (es decir, en algunas partes de sus órbitas, están más cerca del Sol y a veces están más lejos).

Las diferencias entre estos dos tipos de cuerpos en el clásico Cinturón de Kuiper tienen todo que ver con Neptuno. Los fríos KBOs clásicos tienen órbitas que nunca se acercan mucho a Neptuno, y por lo tanto permanecen "fríos" y no están perturbados por la gravedad del planeta gigante. Es probable que sus órbitas no se hayan movido mucho durante miles de millones de años. En contraste, las KBO clásicas calientes han tenido interacciones con Neptuno en el pasado (es decir, con la gravedad del planeta gigante). Estas interacciones bombearon energía en sus órbitas, que las estiraron en una forma elíptica, y las inclinaron ligeramente fuera del plano de los planetas.

KBOs resonantes.
Un número significativo de KBO están en órbitas que están estrechamente controladas por Neptuno. Orbitan en resonancia con el planeta gigante, lo que significa que sus órbitas están en un patrón estable y repetitivo con el de Neptuno. Estos KBO resonantes completan un número específico de órbitas en la misma cantidad de tiempo que Neptuno completa un número específico de órbitas (en otras palabras, una proporción). Hay varias de estas agrupaciones, o resonancias: 1: 1 (pronunciado "one to one"), 4: 3, 3: 2 y 2: 1. Por ejemplo, Plutón tiene una resonancia de 3: 2 con Neptuno, lo que significa que rodea al Sol dos veces por cada tres veces que Neptuno gira.

De hecho, hay suficientes objetos en órbitas con esta resonancia 3: 2, junto con Plutón, que los astrónomos les han dado su propia categoría entre los KBO resonantes: los plutinos.

Disco disperso.
Impresión artística de la nave espacial New Horizons en Plutón. Crédito: NASA /
 Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins / Southwest
Research Institute (JHUAPL / SwRI).
El disco disperso es una región que se extiende mucho más allá de la parte principal del Cinturón de Kuiper y alberga objetos que Neptuno dispersó en órbitas que son altamente elípticas y están muy inclinadas al plano de los planetas. Muchos objetos de disco dispersos tienen órbitas que están inclinadas decenas de grados. Algunos se aventuran a cientos de UA desde el Sol y por encima del plano de los planetas en el punto más lejano de sus órbitas, antes de volver a un punto cercano a la órbita de Neptuno. Las órbitas de muchos objetos en el disco disperso siguen evolucionando lentamente, con objetos que se pierden con el tiempo, en comparación con el Cinturón de Kuiper clásico, donde las órbitas son más estables.

El disco disperso le da al cinturón de Kuiper clásico en forma de rosquilla una extensión mucho más ancha y gruesa. Algunos astrónomos hablan de las dos como regiones separadas, aunque sus límites se superponen y están vinculados entre sí de varias maneras. (En particular, se piensa que los objetos en ambas regiones terminaron allí como resultado de la migración de Neptuno desde su órbita original más cercana a donde está ahora).

Eris es un ejemplo de un objeto en el disco disperso (de hecho, es el miembro más grande conocido de esta población).

Familias Adicionales.
La mayoría de los objetos en el Cinturón de Kuiper se encuentran en la parte principal del cinturón o en el disco disperso, pero también hay un par de familias adicionales de objetos que orbitan el Sol interior y el exterior del cinturón. Estos grupos de objetos adicionales probablemente provinieron del Cinturón de Kuiper originalmente, pero fueron sacados de las regiones principales por la gravedad de Neptuno o quizás por otro planeta masivo.

Objetos separados.
Los objetos separados del Cinturón de Kuiper tienen órbitas que nunca se acercan más al Sol que aproximadamente 40 UA. Esto los diferencia de la mayoría de los otros KBO, que pasan al menos parte de sus órbitas en la región entre 40 y 50 UA del Sol. Debido a que sus órbitas no se acercan a la distancia de Neptuno al Sol (~ 30 UA), es poco probable que los objetos separados hayan sido sacados del Cinturón de Kuiper por las interacciones con el planeta gigante. Los científicos creen que es probable que alguna otra fuerza sea la responsable, como un planeta gigante sin descubrir (en una órbita muy lejana), la gravedad de las estrellas que pasan, o las perturbaciones gravitacionales cuando el Cinturón de Kuiper se estaba formando hace mucho tiempo.

Sedna es un ejemplo de un KBO separado. Lo más cerca que llega al Sol es de 76 UA, mientras que en su punto más lejano viaja a ~ 1200 UA.

Centauros.
Los centauros son objetos con órbitas que viajan a través del espacio entre las órbitas de Júpiter y Neptuno. En estas órbitas, interactúan fuertemente con la gravedad de los planetas gigantes. Debido a estos poderosos encuentros gravitacionales, la mayoría está destinada a ser expulsada del sistema solar o empujada hacia el sistema solar interior donde se convierten en cometas o chocan contra el Sol y los planetas.

Este proceso, la eliminación de los centauros, está en marcha y lleva decenas de millones de años para el objeto típico de Centauro. Por lo tanto, el hecho de que haya centauros en la actualidad es una evidencia de que están siendo suministrados activamente desde otro lugar. Los astrónomos piensan que la explicación más probable es que son fugitivos relativamente recientes del Cinturón de Kuiper. De hecho, se entiende que los centauros son objetos dispersos, como los que se encuentran en el disco disperso; la diferencia es que los centauros se han dispersado más cerca del Sol por Neptuno, en lugar de estar más lejos.

El lugar de Plutón en el cinturón de Kuiper.
Plutón fue el primer objeto descubierto en el Cinturón de Kuiper, en 1930, antes de que los astrónomos tuvieran razones para esperar una gran población de mundos helados más allá de Neptuno. Hoy en día se lo conoce como el "Rey del Cinturón de Kuiper": es el objeto más grande de la región, aunque otro objeto similar en tamaño, llamado Eris, tiene una masa ligeramente más alta. Se dice que la órbita de Plutón está en resonancia con la órbita de Neptuno, lo que significa que la órbita de Plutón está en un patrón estable y repetitivo con el de Neptuno. Por cada tres órbitas completadas por Neptuno, Plutón hace dos órbitas. En esta situación, Plutón nunca se acerca lo suficiente a Neptuno para verse afectado mucho por su gravedad. De hecho, a pesar de que su órbita cruza la órbita de Neptuno, Plutón se acerca físicamente más a Urano que nunca a Neptuno.

Cinturón de Kuiper Lunas y Binarios.
Las imágenes más detalladas de Ultima Thule (obtenidas minutos antes del acercamiento más cercano de la nave espacial New Horizons a las 12:33 a.m. EST del 1 de enero de 2019) tienen una resolución de aproximadamente 110 pies (33 metros) por píxel. Su combinación de mayor resolución espacial y una geometría de visualización favorable ofrecen una oportunidad sin precedentes para investigar la superficie de Ultima Thule, que se considera el objeto más primitivo jamás encontrado por una nave espacial. Esta imagen compuesta procesada combina nueve imágenes individuales tomadas con la cámara de reconocimiento de largo alcance (LORRI, por sus siglas en inglés), cada una con un tiempo de exposición de 0.025 segundos, solo 6 ½ minutos antes de la aproximación más cercana de la nave a Ultima Thule (oficialmente denominada 2014 MU69). La imagen fue tomada a las 5:26 UT (12:26 a.m. EST) del 1 de enero de 2019, cuando la nave espacial estaba a 4,109 millas (6,628 kilómetros) de Ultima Thule y 4,1 billones de millas (6,6 billones de kilómetros) de la Tierra. El ángulo entre la nave espacial, Ultima Thule y el Sol, conocido como el "ángulo de fase", fue de 33 grados. Fuente: NASA / Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins / Southwest Research Institute, Observatorio Nacional de Astronomía Óptica.
Un número bastante grande de KBO tienen lunas, es decir, cuerpos significativamente más pequeños que las orbitan, o son objetos binarios. Los binarios son pares de objetos que son relativamente similares en tamaño o masa que orbitan alrededor de un punto (un centro de masa compartido) que se encuentra entre ellos. Algunos binarios realmente se tocan, creando una especie de forma de maní, creando lo que se conoce como un binario de contacto.

Plutón, Eris, Haumea y Quaoar son todos los objetos del cinturón de Kuiper que tienen lunas. Las observaciones del telescopio sugieren que el objetivo del sobrevuelo 2019 de la nave espacial New Horizons de la NASA, conocido como 2014 MU69, puede ser un contacto binario.

Una cosa que hace que las KBO binarias sean particularmente interesantes es que la mayoría de ellas pueden ser objetos extremadamente antiguos o primordiales que se han alterado poco desde su formación. Las diversas ideas sobre cómo se forman estos pares requieren muchos más objetos de los que parece contener el cinturón de Kuiper de nuestros días. Una idea importante es que los binarios pueden resultar de colisiones de baja velocidad entre KBO, lo que les permitiría sobrevivir al impacto y mantenerse unidos debido a su gravedad mutua. Tales colisiones probablemente fueron mucho más comunes miles de millones de años atrás, cuando la mayoría de las KBO estaban en órbitas similares que eran más circulares y cercanas al plano de los planetas (llamada eclíptica). Hoy tales colisiones son mucho más raras. También tienden a ser destructivos, ya que muchos KBO están en órbitas ahora inclinadas o elípticas, lo que significa que chocan entre sí con mayor fuerza y ​​se rompen.

Relación con los cometas.
El Cinturón de Kuiper es una fuente de cometas, pero no la única. Hoy se cree que el Cinturón de Kuiper se está erosionando muy lentamente. Los objetos chocan de vez en cuando, con los fragmentos de colisión que producen KBO más pequeños (algunos de los cuales pueden convertirse en cometas), así como el polvo expulsado del sistema solar por el viento solar. Las piezas producidas por las KBO en colisión pueden ser empujadas por la gravedad de Neptuno en órbitas que las envían hacia el sol, donde Júpiter las acorrala en bucles cortos que duran 20 años o menos. Estos se llaman cometas de la familia de Júpiter de periodo corto. Dados sus frecuentes viajes al sistema solar interior, la mayoría tiende a agotar sus iones volátiles con bastante rapidez y eventualmente se vuelven inactivos, o cometas muertos, con poca o ninguna actividad detectable. Los investigadores han descubierto que algunos asteroides cercanos a la Tierra son en realidad cometas quemados, y la mayoría de ellos habrían comenzado en el Cinturón de Kuiper. Muchos cometas chocan contra el Sol o los planetas. Aquellos que tienen encuentros cercanos con Júpiter tienden a ser despedazados o expulsados ​​del sistema solar por completo.

La otra fuente de cometas es la Nube de Oort, de donde provienen la mayoría de los cometas de períodos largos en órbitas muy inclinadas.

Cómo el cinturón de Kuiper obtuvo sus nombres.
La región lleva el nombre del astrónomo que predijo su existencia: Gerard Kuiper. A veces se llama el cinturón de Edgeworth-Kuiper, reconociendo la discusión independiente y anterior de Kenneth Edgeworth. Los objetos descubiertos en el cinturón de Kuiper obtienen sus nombres de diversas mitologías. Eris lleva el nombre de la diosa griega de la discordia y la lucha. Haumea lleva el nombre de una diosa hawaiana de la fertilidad y el parto. Los cometas de ambas regiones generalmente tienen nombres de personas que los descubrieron.

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