Obiekty Trans-neptunowe - opis

     Pewien czas temu postanowiłem zajrzeć w odległe zakamarki Układu Słonecznego. Znane wszystkim planety i księżyce naszego układu to było za mało co chciałem wiedzieć. Szybko okazało się, że podwórko słoneczne zawiera wiele intrygujących i tajemniczych obiektów, znajdujących się nie tylko w pobliżu znanych nam planet, ale też dużo dalej. 

     W 1951 roku Gerard Kuiper przewidział, że poza orbitą Neptuna mogą krążyć obiekty o rozmiarach mniejszych od znanego wówczas Plutona. Obszar ten nazwano Pasem Kuipera, choć domysły te zamieniły się w rzeczywistość dopiero w 1992 roku, kiedy odkryto pierwszy taki obiekt o oznaczeniu 1992 QB1 niedawno nazwany Albion.

 Obecnie znamy prawie 2500 obiektów trans-neptunowych, czyli ciał obiegających Słońce po orbitach znajdujących się poza orbitą Neptuna. Są wśród nich także takie, których trajektorie tylko na chwilę wpadają do Pasa Kuipera, a część orbity najbardziej oddalona od Słońca sięga wewnętrznego Obłoku Oorta.

W celu wyobrażenia sobie wymiarów i odległości w jakiej znajdują się te obszary Układu Słonecznego, zamieszczam poniżej dość powszechną w internecie grafikę. Pierwszy fragment to orbity planet wewnętrznych i Jowisza. Ziemia znajduje się ok. 149,6 mln km od Słońca i tę odległość nazywamy jednostką astronomiczną (1 AU - Astronomical Unit). Jowisz średnio oddalony jest od Słońca o 5,2 AU. Druga część grafiki przedstawia orbity planet zewnętrznych. Orbita Neptuna znajduje się już 30,5 AU od Słońca. Poza tą orbitą występuje Pas Kuipera rozciągający się od 30 - 50 AU. Daleko dalej to już strefa Obłoku Oorta rozpościerająca się od 300 do 100 tys. AU od Słońca. Przyjmuje się, że rozciągnięta orbita planety karłowatej Sedna, posiada punkt aphelium (939 AU) w wewnętrznej części Obłoku Oorta. Przyglądając się jednak trzeciemu i czwartemu fragmentowi grafiki zauważymy, że główna część Obłoku jest jeszcze o wiele, wiele dalej.

Źródło: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt

 Baza danych Jet Propulsion Laboratory aktualnie zawiera 2510 obiektów trans-neptunowych (TNO). Spośród nich aż 2180 posiada orbity z peryhelium dalszym niż średnia odległość Neptuna od Słońca (30,1 AU), a tylko 6 obiektów ma swe peryhelia większe od 50 AU. Podział obiektów trans-neptunowych nie jest jednoznaczny i nie powinno się go traktować sztywno, szczególnie jeśli chodzi o obiekty dysku rozproszonego. Mimo wszystko obiekty TNO dzieli się w zależności od odległości od Słońca i ich parametrów orbitalnych na następujące grupy:

1. Obiekty Pasa Kuipera (KBOs)

     Pas Kuipera zawiera obiekty o średniej odległości od Słońca od ok. 30 do 50 AU, zwykle mają orbity bliskie kolistych o niewielkim nachyleniu do ekliptyki. Obiekty Pasa Kuipera są dalej dzielone na kolejne dwie podgrupy:

•  Obiekty rezonansowe, które pozostają w rezonansie orbitalnym z Neptunem. Obiekty w rezonansie 1:2 nazywane są twotinami (Twotinos), a obiekty o rezonansie 2:3 plutonkami (Plutinos), po ich największym obiekcie Plutonie. Np. rezonans 1:2 oznacza, że na dwa obiegi Neptuna wokół Słońca, obiekt w rezonansie wykonuje jeden taki obieg. 
• Cubewanos - klasyczne obiekty Pasa Kuipera, które nie mają takiego rezonansu i poruszają się po niemal okrągłych orbitach, niezakłócone przez oddziaływanie grawitacyjne Neptuna. Przykładami są 15760 Albion, 50000 Quaoar oraz Makemake. Nazwa cubewanos wzięła się od pierwszego odkrytego takiego obiektu 1992 QB1 niedawno nazwanego 15760 Albion. Ja chętnie nazwałbym je teraz albionkami, ale nie będę zmieniał już ustalonego ;-)

2. Obiekty dysku rozproszonego (SDO)

     Dysk rozproszony zawiera obiekty znajdujące się dalej od Słońca, zwykle o bardzo nieregularnych orbitach (to znaczy bardzo eliptycznych i mających duże nachylenie do ekliptyki). Typowym przykładem jest planeta karłowata Eris, której orbita nachylona jest do ekliptyki pod kątem 44°, z punktem peryhelium = 37,77 AU, a punktem aphelium 97,56 AU. Nie oznacza to wcale, że obiekty SDO zawsze znajdują się dalej poza Pasem Kuipera. Ich orbity są mocno eliptyczne i w odróżnieniu od obiektów Pasa Kuipera, mogą zbliżać się na niewielkie odległości do Neptuna. Uważa się, że część obiektów z Dysku Rozproszonego podczas zbliżenia do Neptuna została wyhamowana i przeszła na ciaśniejsze orbity stając się Centaurami, czyli planetoidami poruszającymi się pomiędzy orbitami Jowisza i Neptuna.
Tylko kilka spośród znanych obiektów trans-neptunowych ma peryhelia większe od 50 AU. Większość odkryta została w ostatnich latach, a pierwszą była planeta karłowata Sedna (peryhelium = 76,07 AU). Odkrycie tych obiektów spowodowało utworzenie kolejnej grupy Obiektów Odłączonych.

3.  Obiekty Odłączone z definicji to takie, które nigdy nie zbliżają się do Słońca na tyle, by ich orbity mogły zostać zaburzone przez wpływ grawitacyjny planet (w szczególności Neptuna), a ich peryhelia są większe od 40 AU. Nie ma jednak wyraźnych granic między kategoriami obiektów rozproszonych i odłączonych, ponieważ obiekty trans-neptunowe z tych kategorii mogą współistnieć mając peryhelium między 37 a 40 AU.

Autor: Eurocommuter, tłumaczenie: Szczureq. Źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TheTransneptunians_73AU-pl.svg

     Największym znanym obiektem trans-neptunowym oficjalnie pozostaje Pluton (średnica 2370 km), choć tuż po odkryciu planety karłowatej Eris i pierwszych jej pomiarach szacowano, że to ona jest największa. Pierwsze rezultaty pomiarów opublikowane 2 lutego 2006 roku mówiły o średnicy Eris nawet 3000 km przy dużej jednak niepewności ± 400 km. Kolejne pomiary wykonane na podstawie obserwacji Kosmicznego Teleskopu Hubble'a podawały już średnicę dużo mniejszą i zbliżoną do Plutona mianowicie 2398 ± 97 km. Dopiero obserwacje Eris dokonane w 2010 roku w czasie jej przejścia na tle słabej gwiazdy wskazały, że może ona nie mieć rozmiarów większych od Plutona i ostatecznie jej średnica została doprecyzowana w 2011 roku na 2326 ± 12 km. Kolejnym z największych obiektów trans-neptunowych jest Haumea 1595 km, chociaż gdyby uśrednić jej rozmiary w trzech osiach uzyskane ostatnio podczas przejścia planetki na tle gwiazdy 2,322 × 1,704 × 1,138 km uzyskalibyśmy nawet 1721 km. Następnymi są 2007 OR10 (1535 km) i Makemake (1502 km). Pierwsza 10-tka znanych obiektów trans-neptunowych pod względem średnicy to:
1. Pluton                             2377 km
2. Eris                                 2326 km
3. Haumea                          1595 km
4. 2007 OR10                     1535 km
5. Makemake                      1502 km
6. Quaoar                            1070 km
7. Sedna                                995 km
8. 2002 MS4                         934 km
9. Orcus                                910 km
10. Salacia                            854 km

Spośród tej dziesiątki tylko wokół dwóch nie wykryto do tej pory satelitów i są to Sedna oraz 2002 MS4. Wokół pozostałych wykryto jeden księżyc poza Haumeą, która posiada dwa i Plutonem z aż pięcioma satelitami.

Największe znane obiekty trans-neptunowe. Autor: Lexicon. Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/File:EightTNOs.png

     Niektóre obiekty trans-neptunowe (TNO) przykuły moją uwagę na nieco dłużej. Zadałem sobie bowiem pytanie: które ze znanych TNO obecnie znajdują się najdalej od Słońca? W internecie znalazłem listę najdalszych obiektów na angielskiej Wikipedii. Nie było tam jednak wszystkiego. Chciałem wiedzieć, które z nich obecnie oddalają się od nas, a które zbliżają. Wtedy po raz kolejny przyszła mi z pomocą baza danych małych obiektów JPL. Dzięki niej sam przygotowałem aktualną grafikę znanych nam obiektów Układu Słonecznego obecnie znajdujących się najdalej (zamieszczam poniżej). Prześledziłem każdy obiekt z osobna pobierając jego odległość i sprawdzając czy obiekt aktualnie przybliża się czy oddala wędrując po swojej orbicie. Starałem się utrzymać skalę wielkości obiektów, na tyle ile są znane. Łatwo można zatem zobaczyć, który z nich jest największy, a który najmniejszy. Odległości od Słońca podałem w jednostkach astronomicznych [AU] i przy nich strzałkę w górę oznaczającą oddalający się aktualnie obiekt lub strzałkę w dół przybliżający się.
Listę otwiera najodleglejszy obiekt planeta karłowata Eris. Jednak pośród nich jest też obiekt V774104, którego orbita nie jest wystarczająco poznana. Nie zostały zgłoszone żadne oficjalne pomiary astrometryczne, a zaledwie kilkutygodniowe obserwacje z 2015 roku nie pozwalają dokładniej określić elementów orbitalnych. Niektóre media podają, że jest to najodleglejszy obiekt TNO, ale dopóki nie ma oficjalnych pomiarów nie można nic przesądzać.

Obecnie najodleglejsze znane obiekty trans-neptunowe. Stan na 24 maja 2018 roku.

     Najbardziej ekstremalne obiekty TNO to takie, których orbity mają peryhelium większe od 30 AU i półoś wielką większą niż 250 AU. Ich orbity mają świadczyć o istnieniu dziewiątej planety. Czy daleko za orbitą Neptuna taka istnieje? Nowo odkryty obiekt trans-neptunowy o oznaczeniu 2015 BP519 dał właśnie ku temu kolejną poszlakę. Na początku 2016 roku dwójka astronomów Konstantin Batygin i Michael Brown ogłosiła wyniki badań wskazujące na istnienie bardzo odległej i masywnej planety w Układzie Słonecznym. Choć do tej pory jej nie dostrzeżono, to jednak dziwne orbity niektórych obiektów trans-neptunowych mogą o tym świadczyć. 2015 BP519 właśnie taką posiada, jego orbita nachylona jest pod kątem 54 stopni względem płaszczyzny Układu Słonecznego i ma dużą ekscentryczność (mimośród) równą 0,918. Pełen obieg obiektu wokół Słońca trwa aż 8912 lat i 1 miesiąc, w tym czasie przechodzi przez peryhelium w odległości 35,2 AU oraz aphelium aż 824,6 AU. Obecnie 2015 BP519 znajduje się 52,7 AU jednostki astronomiczne od Słońca i będzie zbliżać się aż do 8 września 2058 roku kiedy to osiągnie peryhelium.
Batygin i Brown przeprowadzili szereg symulacji mających na celu wyjaśnienie takiego rozkładu orbit jakie posiadają znane obiekty trans-neptunowe. Zauważyli, że najlepiej w symulacjach przyjął się model wykorzystujący planetę o 10 masach Ziemi, będącą czterokrotnie od niej większą i mającą parametry orbity takie jak poniżej:

Półoś wielka a ≈ 700 AU, okres obiegu ok. 18 000 lat
mimośród e ≈ 0,6, peryhelium ≈ 280 AU, aphelium ≈ 1120 AU
nachylenie i ≈ 30 ° do ekliptyki
długość węzła wstępującego Ω ≈ 94°
argument peryhelium ω ≈ 139° i długość peryhelium π = 235° ± 12°

Astronomowie przewidzieli także istnienie obiektów, których orbity mogą być znacznie bardziej nachylone do płaszczyzny ekliptyki od wówczas znanych. W co doskonale wpisał się ostatnio poznany obiekt 2015 BP519.
Obecnie znamy już 14 ekstremalnych obiektów trans-neptunowych. Poniżej grafika ukazująca ich orbity oraz lista znanych nam ekstremalnych TNO, na której zaznaczyłem też parametry hipotetycznej 9 planety.

Orbity 14 znanych ekstremalnych obiektów trans-neptunowych.
© Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International
Author: Tomruen

Lista 14 znanych ekstremalnych obiektów trans-neptunowych.