La fascia di Kuiper, un viaggio oltre Nettuno

La fascia di Kuiper occupa un volume enorme e i piccoli mondi che la abitano hanno molto da dirci sulla storia antica del sistema solare

La fascia di Kuiper è una vasta regione nelle zone fredde e esterne del nostro sistema solare oltre l’orbita di Nettuno, a volte chiamata la “terza zona”. Gli astronomi pensano che ci siano milioni di piccoli oggetti ghiacciati in questa regione, tra cui centinaia di migliaia grandi più di 100 chilometri (Plutone 2376 chilometri di diametro). Oltre alla roccia e al ghiaccio d’acqua, gli oggetti nella fascia di Kuiper contengono anche una varietà di altri composti congelati come ammoniaca e metano.

La regione prende il nome dall’astronomo Gerard Kuiper, che nel 1951 pubblicò un articolo scientifico che ipotizzava la presenza di oggetti al di là di Plutone. Alcuni ricercatori preferiscono chiamarla regione transnettuniana e fare riferimento agli oggetti della cintura di Kuiper (KBO) come oggetti transnettuniani o TNO.

Dimensioni e distanza della fascia di Kuiper

La fascia di Kuiper è una delle strutture più grandi del nostro sistema solare: altre sono la Nube di Oort, l’eliosfera e la magnetosfera di Giove. La sua forma complessiva è come un disco gonfio o una ciambella. Il bordo interno inizia dall’orbita di Nettuno, a circa 30 UA dal Sole (1 UA, o unità astronomica, è la distanza dalla Terra al Sole equivalente a 150 milioni di chilometri) e termina a circa 50 UA. Sovrapponendo il bordo esterno della parte principale della fascia di Kuiper c’è una seconda regione chiamata disco sparso, che continua verso l’esterno fino a quasi 1.000 UA, con alcuni corpi che vanno ancora oltre.

Finora, oltre 2.000 oggetti transnettuniani sono stati catalogati e rappresentano solo una piccola parte del numero totale di oggetti del quale è composta. In effetti, gli astronomi stimano che ci siano centinaia di migliaia di corpi nella regione. Tuttavia, si ritiene che la massa totale di tutto il materiale nella fascia di Kuiper non superi il 10% circa della massa della Terra.

Formazione / Origini

Gli astronomi pensano che gli oggetti ghiacciati della fascia di Kuiper siano resti della formazione del sistema solare. Simile alla relazione tra la fascia principale di asteroidi e Giove, è una regione di oggetti che si sarebbero potuti unire per formare un pianeta se Nettuno non fosse stato lì. Invece, la gravità del gigante gassoso ha influenzato così tanto questa regione di spazio che i piccoli oggetti ghiacciati non sono stati in grado di fondersi in un grande pianeta.

La quantità di materiale nella Cintura di Kuiper oggi potrebbe essere solo una piccola parte di ciò che era originariamente lì. Secondo una teoria ben supportata, le orbite dei quattro pianeti giganti (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) hanno fatto perdere la maggior parte del materiale originale, probabilmente da 7 a 10 volte la massa della Terra.

L’idea di base è che all’inizio della storia del sistema solare, Urano e Nettuno furono costretti a orbitare più lontano dal Sole a causa dei cambiamenti nelle orbite di Giove e Saturno. Mentre si allontanavano verso l’esterno, attraversarono il denso disco di piccoli corpi ghiacciati rimasti dopo la formazione dei pianeti giganti. L’orbita di Nettuno era la più lontana, e la sua gravità modellava le orbite di innumerevoli corpi ghiacciati. Alla fine Giove portò la maggior parte di questi corpi ghiacciati in orbite estremamente distanti (per formare la Nube di Oort) o completamente fuori dal sistema solare. Mentre Nettuno “lanciava” oggetti ghiacciati verso il Sole, questo lo portava ad un’ orbita ancora più lontana, e la sua influenza gravitazionale bloccò gli oggetti ghiacciati nelle posizioni in cui li troviamo oggi nella fascia di Kuiper.

Oggi la fascia di Kuiper si sta lentamente erodendo. Gli oggetti che vi rimangono occasionalmente si scontrano, producendo corpi più piccoli frammentati dalla collisione, a volte comete e anche polvere che viene espulsa dal sistema solare dal vento solare.

Struttura e caratteristiche

La fascia di Kuiper, come detto, occupa un enorme volume di spazio. Gli oggetti della fascia di Kuiper (KBO) o oggetti transnettuniani (TNO) sono abbastanza diversi per dimensioni, forma e colore e, soprattutto, non sono distribuiti uniformemente nello spazio. Una volta che gli astronomi hanno iniziato a scoprirli nei primi anni ’90, una delle prime sorprese è stata che i KBO potevano essere raggruppati in base alle forme e alle dimensioni delle loro orbite. Ciò ha portato gli scienziati a capire che esistono diversi gruppi di questi oggetti le cui orbite forniscono indizi sulla loro storia. 

KBO classici

Una grande parte dei KBO orbita attorno al Sole in quella che viene chiamata la classica fascia di Kuiper. Il termine “classico” si riferisce al fatto che, tra i KBO, questi oggetti hanno orbite più simili all’idea originale, o classica, di come doveva essere la fascia di Kuiper (l’aspettativa era che, se ci fossero oggetti oltre Nettuno, con orbite relativamente circolari non sono troppo inclinate dal piano dei pianeti). Invece, molti KBO hanno orbite significativamente ellittiche e inclinate.

Esistono due gruppi principali di oggetti nella classica fascia di Kuiper, denominati “freddo” e “caldo”. Questi termini non si riferiscono alla temperatura ma descrivono invece le orbite degli oggetti, insieme a quanta influenza gravitazionale ha avuto Nettuno su di essi.

Tutti i KBO classici hanno una distanza media dal Sole tra circa 40 e 50 UA. I KBO classici freddi hanno orbite relativamente circolari che non sono molto inclinate rispetto al piano dei pianeti; i caldi hanno orbite più ellittiche e inclinate. Ciò significa che i freddi trascorrono la maggior parte del loro tempo a circa la stessa distanza dal Sole, mentre quelli caldi in alcune parti delle loro orbite, sono più vicine al Sole ed in altre più lontani.

Le differenze tra questi due tipi di corpi ha a che fare con Nettuno. I KBO classici freddi hanno orbite che non si avvicinano mai molto a Nettuno, e quindi rimangono “fredde” e non disturbate dalla gravità del pianeta gigante. Al contrario, i classici KBO caldi hanno avuto interazioni con Nettuno in passato. Queste interazioni allungarono in una forma ellittica le loro orbite e le inclinarono leggermente fuori dal piano dei pianeti.

KBO risonanti

Un numero significativo di KBO sono in orbite strettamente controllate da Nettuno. Orbitano in risonanza con il pianeta gigante, il che significa che le loro orbite sono in uno schema stabile e ripetuto con quello di Nettuno. Questi KBO risonanti completano un numero specifico di orbite nello stesso periodo di tempo in cui Nettuno ne completa un numero specifico (sono in rapporto). Esistono diversi rapporti di risonanza: 1: 1 , 4: 3, 3: 2 e 2: 1. Ad esempio, Plutone ha una risonanza 3: 2 con Nettuno (Plutone compie due rivoluzioni attorno al Sole, il gigante Nettuno ne compie tre).

Disco sparso

Il disco sparso è una regione che si estende ben oltre la parte principale della fascia di Kuiper, ed è sede di oggetti che sono stati dispersi da Nettuno in orbite altamente ellittiche e fortemente inclinate rispetto al piano dei pianeti. Molti sono inclinate di decine di gradi. Alcuni si trovano a centinaia di UA dal Sole e “in alto” sopra il piano dei pianeti nel punto più lontano delle loro orbite, prima di ricadere nel punto più vicino all’orbita di Nettuno. Eris è un esempio di un oggetto nel disco sparso

Il disco sparso conferisce alla classica fascia di Kuiper un’estensione molto più ampia e spessa. Alcuni astronomi parlano delle due come regioni separate, sebbene i loro confini si sovrappongano e siano collegati tra loro in diversi modi. In particolare, si ritiene che gli oggetti in entrambe le regioni siano finiti lì a causa della migrazione di Nettuno dalla sua orbita originale più vicina a dove si trova ora.

Famiglie aggiuntive

Ci sono anche un paio di famiglie aggiuntive di oggetti che orbitano attorno al Sole all’interno e all’esterno della fascia. Questi ulteriori gruppi di oggetti probabilmente provenivano originariamente dalla fascia di Kuiper, ma sono stati espulsi dalle regioni principali dalla gravità di Nettuno o forse da un altro enorme pianeta.

Oggetti distaccati

Gli oggetti distaccati della fascia di Kuiper hanno orbite che arrivano a non meno di 40 UA dal Sole. Poiché le loro orbite non si avvicinano alla distanza di Nettuno dal Sole (~ 30 UA), è improbabile che il gigante gassoso li abbia influenzati gravitazionalmente. Gli scienziati pensano che un’altra forza sia probabilmente responsabile, come un pianeta gigante da scoprire (in un’orbita molto lontana), la gravità delle stelle o perturbazioni gravitazionali durante la formazione della fascia di Kuiper. Sedna è un esempio di KBO distaccato. Nel punto più vicino al Sole si trova a 76 UA, mentre nel punto più lontano a ~ 1200 UA.

Centauri

I centauri sono oggetti con orbite che viaggiano attraverso lo spazio tra Giove e Nettuno. Su queste orbite, interagiscono fortemente con la gravità dei pianeti giganti. A causa di questi potenti incontri gravitazionali, la maggior parte è destinata a essere espulsa dal sistema solare o spinta nel sistema solare interno dove diventano comete o si schiantano contro il Sole e i pianeti.

Questo processo, la rimozione dei Centauri, è in corso. In effetti sono considerati oggetti dispersi, come quelli nel disco sparso. La differenza è che i Centauri sono stati dispersi da Nettuno più vicini al Sole.

Lune e sistemi binari della fascia di Kuiper

Un numero abbastanza elevato di KBO ha o lune, ovvero corpi significativamente più piccoli che le orbitano attorno, o sono oggetti binari. I binari sono coppie di oggetti di dimensioni o massa relativamente simili che orbitano attorno a un punto (un centro di massa condiviso). Alcuni in realtà si toccano, creando una sorta di forma “di arachidi”, creando ciò che è noto come un binario di contatto. Plutone, Eris, Haumea e Quaoar sono tutti oggetti della Cintura di Kuiper che hanno lune. Una cosa che rende particolarmente interessanti i KBO binari è che molti di essi possono essere oggetti estremamente antichi o primordiali che si sono stati modificati nel tempo.

Le varie idee su come si formano queste coppie richiedono molti più oggetti di quelli che sembra contenere la cintura di Kuiper. Un’idea principale è che i binari potrebbero derivare da collisioni a bassa velocità tra i KBO, il che consentirebbe loro di sopravvivere all’impatto e rimanere uniti a causa della loro gravità reciproca. Tali collisioni erano probabilmente molto più comuni miliardi di anni fa, quando la maggior parte dei KBO erano su orbite simili: erano più circolari e vicine al piano dei pianeti (chiamato l’eclittica). 

Relazione con le comete

La fascia di Kuiper è una fonte di comete, ma non l’unica. Oggi si pensa che la fascia si stia lentamente erodendo. Gli oggetti lì di tanto in tanto si scontrano producendo frammenti che possono essere spinti dalla gravità di Nettuno in orbite verso il Sole, dove Giove li corregge ulteriormente. Queste sono chiamate comete della famiglia di Giove di breve periodo. Dati i loro frequenti viaggi nel sistema solare interno, la maggior parte tende ad esaurire i ghiacci volatili abbastanza rapidamente e alla fine diventano comete dormienti o morte con attività scarsa o nulla. I ricercatori hanno scoperto che alcuni asteroidi vicini alla Terra sono in realtà comete “bruciate” provenienti dalla fascia di Kuiper. Molte comete si schiantano contro il Sole o contro i pianeti. Quelle che hanno incontri ravvicinati con Giove tendono a essere fatti a pezzi o espulse dal sistema solare. L’altra fonte di comete è la Nube di Oort , da cui provengono quelle di lungo periodo poste su orbite altamente inclinate.

Riferimenti:

• https://solarsystem.nasa.gov/solar-system/kuiper-belt/in-depth/