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Más allá del cinturón de Kuiper

Miriam Cortés ContrerasIgnacio Andrés Minaya Flores

●Origen en el disco de acreción durante el proceso de formación

●Son cuerpos dispersados por planetas gigantes

●Se acumulan en distintas regiones dependiendo de sus características orbitales: Cuerpos cercanos a los planetas son dispersados hacia regiones más externas mientras que los cuerpos más alejados permanecen en las regiones intermedias.

Acumulación de cometas

Acumulación de cometas

Los cuerpos que son dispersados hacia la región externa se acumulan en una nube hipotizada (nube de Oort) que se encuentra en el límite del Sistema Solar.

Los que son dispersados hacia la región transneptuniana constituyen del Cinturón de Kuiper y el disco disperso.

Población transneptuniana

Formada por los objetos del disco protoplanetario que son dispersados durante el periodo de formación.

Se clasifica en dos subpoblaciones según la dinámica de los objetos:

●Cinturón de Kuiper

●Disco Disperso

Cinturón de Kuiper● Sugerido en 1943 por Kenneth Edgeworth y Gerard Kuiper

● Comienza tras la órbita de Neptuno, 30 - 55 UA

● Principalmente pequeños cuerpos de hielo y roca remanentes de la formación del Sistema Solar

●Más de 1300 objetos identificados

●Planetas enanos: Plutón, Eris, Haumea, Makemake

Disco disperso

● Se extiende desde 55 UA hasta 5000 UA

● Vida media dinámica de los cuerpos que lo forman: 50Myr.

●Solo alrededor del 1% sobrevive en órbitas transneptunianas en la edad del Sistema Solar.

Disco disperso: origen

Dudas sobre su origen:

● Cuerpos que escaparon del cinturón de Kuiper:

● Orbitan con perihelios menores de 35 UA y por inestabilidades asociadas a Neptuno son dispersadas SALVO los que están en movimientos resonantes con el planeta.

● Remanente de una estructura primordial 100 veces más masiva

Disco disperso

Poblaciones del Cinturón de Kuiper y disco disperso son más o menos iguales: el disco disperso no estaría sustentado por el cinturón de Kuiper

→ Disco disperso como remanente

Disco disperso: cometas

Se cree que los objetos del disco disperso dominan la producción de los cometas de la familia de Júpiter frente al Cinturón de Kuiper.En este caso, el cometa pasa de la dinámica de Neptuno a la dinámica de Júpiter y su tiempo de vida dinámica es de 105 yr.

✗ P/Encke: único cometa activo con órbita interior a la de Júpiter, la distancia al afelio es de 4.1UA (Júpiter: 5.2UA)→ los encuentros con Júpiter no son responsables de su posición actual

Disco disperso: objetos

Se clasifican los objetos del disco en tres clases: dispersos, aisaldos y resonantes.


* Objetosos dispersos: 30 < q < 40 UA, a > 50 UA

Su evolución dinámica está influenciada por movimientos resonantes que los protegen contra encuentros cercanos con el planeta resonante


* Objetos aislados: q > 40 UA a > 50 UANo han tenido encuentros con Neptuno → débilmente acoplados al sistema planetario

Sus tamaños de 200-300 km indican que se formaron mucho más cerca del Sol, donde la escala de tiempo de acreción era suficientemente corta. Esto implica que han debido ser transportados hasta sus posiciones actuales.

Estos objetos pertenecen al disco disperso extendido.


El scattering de estos objetos hacia el disco disperso puede deberse a distintos mecanismos:

➢Caos difusivo: - Simulaciones numéricas- Las órbitas de algunos objetos del cinturón de Kuiper cruzan la órbita de Neptuno en movimientos resonantes- Dinámica resonante caótica: 'a' permanece estable, 'e' se modifica lentamente- Resonancias débiles: por encima de un valor crítico son dispersados hacia el disco disperso

Disco disperso: objetos➢Embriones primordiales:

- Existencia de embriones de m≈10MT dispersados

por Neptuno que transitan el cinturón de Kuiper causando excitaciones dinámicas

- Encuentros cercanos con los embriones perturbar el cinturón hacia distancias de perihelio de 50-100 UA

➢ Disco disperso fosilizado:- Existencia de un embrión masivo (¿Neptuno?) que

causa una perturbación dinámica extensa en poco tiempo

- Objetos transneptunianos con perihelios>40 UA se fosilizaron

- Estos fósiles no han evolucionado o lo han hecho muy lentamente


➢Objeto de escala planetaria en el Cinturón de Kuiper lejano aún presente:➢

- Interacción gravitacional que excitaría la distribución orbital del cinturón en el rango de distancias que cubriera su órbita


* Objetos resonantes:Aproximadamente 1/3 están en resonancia con Neptuno.Evolución temporal determinada por fenómenos de resonancia (resonance sticking) muy comunes.

Simulaciones numéricas: 22000 partículas en órbitas con Neptuno teniendo en cuenta perturbaciones de planetas gigantes y colisiones con los mismos:

- Evolución dinámica caótica en si misma- Partículas dispersadas capturadas en 88 resonancias

diferentes

Las resonancias podrían mandar a los objetos a la región aislada.

Estas capturas ocurren principalmente para objetos con a<250 UA:

Disco disperso: el papel de las resonancias

En función del argumento s


Tiempo de vida atrapados en resonancias:34%, q<35 UA37%, 35<q<40 UA55%, q>40 UA

Resonancias con menoresvalores de s son másintensas y las que mayortiempo retienen al objeto:r:1, r:2, r:3Dominan la regióna<250 UA y tienen mayorprobabilidad de captura.


También se observa que al aumentar el perihelio (el semieje mayor) aumenta el tiempo que permanecen en una resonancia:

Disco disperso: estados finales

Tras los procesos de captura y dispersión puede ocurrir que los objetos del disco disperso:

● Sean transportados hacia el Sistema Solar interno y después eyectados del sistema

● Colisionen con un planeta

● Ser transportados hacia la nube de Oort

Nube de Oort: descubrimiento

Se pensaba que los cometas venían del espacio interestelar atraídos por perturbaciones gravitatoras.

- 1932, E. Öpik: cometas originados en una nube lejana

- 1943, K. Edgeworth: reserva de cometas tras los planetas

- 1950, J. Oort: cometas formados fuera de su posición actual, y trasladados a una nube que envuelve el sistema solar

Nube de Oort: Hipótesis

Oort estimó:Entre 5.000 y 150.000 AU del Sol10¹¹ cometas de tamaño observableMasa del orden de 1/10 ó 1/100 veces la terrestreForma esférica (los cometas isótropos venían de

todas direcciones)Origen de cometas de largo periodo (LPCs, cometas

con periodo > 200 años)

Contradicción! número de cometas menor que el predicho → evaporación de compuestos volátiles?destrucción de cometas por impactos? por fuerzas de marea?

Escala de distancias

Nube de Oort: origen

Mayoría de estrellas formadas en cúmulos: nuestro sistema solar se formó en un cúmulo abierto.

Origen: disco protoplanetario formado alrededor del Sol, al igual que los planetas.

Los objetos situados cerca de Júpiter y Saturno fueron eyectados gravitacionalmente; si su perihelio superaba la región planetaria no volverían a sufrir scattering → forman la nube de Oort (masa máxima tras 800 Myrs)

Nube de Oort: evolución

Nube de Oort: simulaciones

Simulaciones del escenario original mejoradas con los años: encuentos con planetesimales, planetas gigantes, estrellas cercanas, efectos de marea...

Modelos computacionales de Monte Carlo: mayor importancia de colisiones en sus origenes que la estimada → masa de la nube mucho menor que lo pensado! (50-100 masas terrestres expulsadas a la nube)


1987 (Duncan et al.)Límite interior de 3000 AULey de potencias: r -3.5 → 5 veces más cometas en la

nube interior (a < 20.000 AU) que en la nube exteriorLluvia de cometas generadas por paso de estrella

cercana cada 100 Myrs; 20 veces mayor como máximo.

Shoemaker & Wolfe:Nube más masiva: 85% cometas con a < 10.000 AU

70% cometas con a < 5.000 AU(en Duncan era de 70% y 50%)


1996 (Weissman):10¹² cometas en la nube externa, 5 veces más en

interna, con 38 masas terrestres.40% cometas originales eyectados: perdidos.

2006, modelo Plummer:2,18% de muestra inicial de cometas acaban en la

nube de Oort tras 1,3 Myrs.10% de cometas de la nube interna acaban en la

externa tras 4,5 Gyrs.Masa nube interna: 10 masas terrestres


2008 (N. Kaib, T. Quinn):19 simulaciones distintas de formación de nube.Nube interna cargada con el Sol en el cúmulo.Las propiedades de la nube interna cambian según el

modelo, pero las de la externa son similares.

Julio Ángel Fernández50% de objetos dispersados: nube de Oort25% atrapados por Júpiter25% expulsado en órbitas parabólicas.Tras 2,5 Gyr, 33% de objetos del disco disperso

acabarán en la nube de Oort


Más recientes (2010):Masa < 1 Masa Tierra (0,14 M, con error de 0,10) Relación: a³ P = cteSemieje mayor mínimo para la nube << 10 AU⁴

Por encima de 10 AU ,muchos cometas son barridos o ⁴eliminados por estrellas cercanas (la mayor parte de los provenientes de Júpiter – Saturno van ahí)

Nube de Oort: importancia

Los objetos de la nube poseen historia dinámica del Sol, de la influencia estelar y de efectos de marea en el cúmulo original.

Hubble Space Telescope, Infrared Space Observatory... buscan pruebas de existencia de nubes alrededor de otras estrellas → prueba de existencia de planetas.

Nube de Oort: estructura

Nube de Oort: 5.000 – 100.000 AU 10¹² cometas de más de 1,3 km. Masa desconocida (0,14 – 5 M Tierra)

Perturbación de objetos de la nube → cambio perihelio; si se sitúa en región planetaria, su evolución está relacionada con el semieje mayor “a”.

- Si a < 20.000 AU, migración lenta → acabarán encontrandose con Júpiter/Saturno → serán eyectados.

- Si a > 20.000 AU, evolución más rápida → antes de ser eyectados por gigantes pueden pasar a región planetaria terrestre → cometas de largo periodo (LPCs)

Nube de Oort: estructura

Nube exterior: a > 20.000 AU- Forma esférica (no es perfecta por marea galáctica)- Poco ligada gravitacionalmente (fín gravitación solar)

Nube interior (o Nube de Hills): a < 20.000 AU- Forma toroidal- Más ligada gravitacionalmente- Más jóven que la nube exterior?

Nube de Hills

Hills (1981) propuso la idea de la nube interna.

Contiene 5 veces más cometas que la nube externa (sus objetos eyectados pueden acabar en la región exterior, sustituyendo los que se alejan del sistema solar o se adentran en él).

Hipotéticamente más pequeña pero más masiva que la región exterior.

Posible origen: formación en orígen sistema solar por “encuentro” entre sol y otra estrella cercana → más jóven que la región exterior.

Población de objetos

Nube de Oort: objetos (composición)

Gran mayoría formados por hielos, monóxido de carbono, metano, etano y ácido cianhídrico.H.E. Levison → También existen rocosos (2% – 3%).

Análisis de isótopos de C y N no muestran apenas diferencias entre cometas de nube de Oort y de Júpiter → confirmación de origen común.

Nube de Oort: objetos (evidencias)

Se requiere detectar LPCs fuera de la barrera gravitacional de Júpiter y Saturno (q > 15 AU).

No hay ninguno confirmado, pero sí hubo candidatos:

- Sedna (detached object?)- 2000 CR105 (detached object?)- 2000 OO67 (detached object?)- 2008 KV42 (detached object?)

La excentricidad de sus órbitas tiene como explicación más probable la de su origen: interacción con una estrella cercana en el cúmulo primario.

Nube de Oort: 2006 SQ372

Descubierto en Sept. 2006 con imagenes de SDSS-II, junto con otros 49 objetos trans-Neptunianos.Actualmente el más probable es 2006 SQ372

Órbita inestableq = 24,2 AU, a = 796 AU,, i = 19,46471º, e = 0,9696Magnitud aparente = 21,59, periodo orbital = 22466 añosRango superior de semieje: en disco difusoRango inferior de semieje: en nube de Oort

Puede ser de ambas regiones, pero estudios demuestran que es 16 veces más probable que pertenezca a la nube → cometa de largo periodo más lejano descubierto!

Nube de Oort: 2006 SQ372

Cualquier combinación de parámetros nos da mayor probabilidad para la nube de Oort (desde 2,2 hasta 1.000 veces más probable)

Aunque se demuestre que pertenece a ella, necesitamos una muestra superior de objetos para conocer más sobre su estructura → muestra futura disponible?

Nube de Oort: deformaciones

Fuerzas de marea dominan a altas distancias

Perturbaciones en la nube → cambio perihelio de objetos: vuelven a entrar en región planetaria → origen de los cometas observados (cuando van al Sol).

90% de cometas expulsados lo hacen por mareas.

Nube de Oort: otras estrellas

Otras estrellas pueden tener nubes de Oort

→ posible “colisión” (1AU de espacio, habría pocas colisiones) de nubes con estrella cercana.

→ posibles cometas eyectados al espacio interestelar que podrían llegar al sistema solar (fácilmente identificables por su alta velocidad pero inexistentes aún)

Ciclos de extinción

Deformación de la nube de Oort: origen probable de extinciones periódicas

- Paso del Sol por el plano galáctico cada 20-25 Myr.- Discos mareales- Paso por brazos espirales: hipótesis Shiva

(nubes moleculares, supernovas...)- Paso de vecina solar por la nube: hipótesis Némesis

En un futuro puede haber otras interacciones con la nube: paso cercano de estrellas:

- Gliese 710 en 1,4 Myr → 50% más de cometas

Ciclos de extinción (Sepkoski)

Gráfica de extinciones masivas mediante fósiles marinos. Se observa perioricidad: 26 Myr.

Estrellas cercanas

Hipótesis Némesis

R. A. Muller y M. Davis, 1984.Sol: estrella doble; enana roja alejada (2,5 años luz) que deforma la nube cíclicamente → impactos de cometas.

Contradicción: órbita inestable! → modificación de órbita: cometas lanzados de la nube de Oort → nube a menos distancia que lo estimado! Lluvias más intensas!

Aún así... búsqueda de la “estrella de la muerte”

Variaciones hipótesis Némesis

D. Whitmire y J.J. Matese, 1985.Vecino: agujero negro poco masivo, periodo: 1.000 añosPerturbaciones mutuas entre planetas gigantes y Planeta X → perturbación de la nube cada 26 Myr.Hipótesis descartada en 1989 mediante Voyageur 2: perturbaciones sobre planetas eran errores de cálculo.

J.J. Matese, 2002:Vecino: planeta gigante muy distante.Problema: órbita muy lejana → órbita inestable → expulsada por pertubaciones de otras estrellas.

Variaciones hipótesis Némesis

J.J. Matesse, P. Whitmire, 2010 (database aumentada)

Vecino: cuerpo de masa Joviana (Tyche, 1 – 4 M Júpiter) en la región más interna de la nube de Oort.

Origen idea: 20% de cometas de nube externa con anomalía en su orientación hacia un arco bien definido debido al débil impulso del cuerpo Joviano.

Posible origen de cinturón de Kuiper y Sedna, pero no de lluvia de cometas! → “hermana buena de Némesis”

Problema: ausencia de aumento de población infrarroja

Referencias- Gladman, B. et al 2001 (astro-ph/0103435)- S. I. Ipatov, AIP Conf.Proc. 713: 277 – 280, 2004- Morbidelli, A. & Levison, H. F. 2004, AJ, 128, 2564- Morbidelli, A. 2005 (astro-ph/0512256)- Lykawka P. S., Mukai T., 2007b, Icarus, 192, 238- Kathryn Volk and Renu Malhotra 2008 ApJ 687 714- R. Gabryszewski, H. Rickman, 2010 (arXiv:1009.5264v1)- Oort, J.H., Bulletin of the Astronomical Institutes of the Nerherlands, 1950, vol. XI, 408- Wiessman, P.R., 1996, ASPC..107..265W- Kaib, A. & Quinn, T. 2008 (arXiv:0707,4515v3)- Kaib, A., Becker. A.C. et al. 2009 (arXiv: 0901,1690v1)- Klacka, J., Kómar, L. et al. 2010 (arXiv: 1005,3414v1)- Matese, J.J. & Whitmire, D.P., 2010, Icarus (in press)

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