Descoperirea centurii Kuiper a schimbat viziunea noastră asupra sistemului solar

În vara anului 1992, pe un vârf de munte din Hawaii, doi oameni de știință au observat o picătură de lumină care se deplasa prin constelația Pești. Acel obiect modest – situat la peste un miliard de kilometri dincolo de Neptun – avea să ne rescrie înțelegerea sistemului solar.

Mai degrabă decât o întindere de vid, exista ceva, o colecție vastă de lucruri, de fapt, care se ascundea dincolo de orbitele planetelor cunoscute.

Oamenii de știință descoperiseră Centura Kuiper, o fâșie în formă de gogoașă de obiecte înghețate rămase de la formarea sistemului solar.

Pe măsură ce cercetătorii învață mai multe despre Centura Kuiper, originea și evoluția sistemului nostru solar devin mai clare. Priveliștile de aproape ale lumilor înghețate din Centura Kuiper au aruncat lumină asupra modului în care planetele, inclusiv a noastră, s-ar fi putut forma în primul rând. Iar studiile efectuate în această regiune, care au dezvăluit în total mii de astfel de corpuri, numite obiecte din Centura Kuiper, sugerează că sistemul solar timpuriu a găzduit planete care se mișcau ca un pinball.

Umilul obiect care a dat startul este o bucată de gheață și rocă cu un diametru de aproximativ 250 de kilometri. A fost observat pentru prima dată în urmă cu 30 de ani luna aceasta.

Privind în spațiu

La sfârșitul anilor 1980, omul de știință planetar David Jewitt și astronomul Jane Luu, ambii la MIT la acea vreme, se aflau de câțiva ani într-o căutare curioasă. Cei doi folosiseră telescoapele din Arizona pentru a lua imagini ale unor porțiuni din cerul nopții, fără a avea în minte o țintă anume. „Ne uitam literalmente în spațiu în căutarea a ceva”, spune Jewitt, acum la UCLA.

Un mister aparent i-a motivat pe cercetători: Sistemul solar interior este relativ aglomerat cu planete stâncoase, asteroizi și comete, dar se pare că nu existau prea multe dincolo de planetele gigantice gazoase, în afară de micul și înghețatul Pluto. „Poate că existau lucruri în sistemul solar exterior”, spune Luu, care acum lucrează la Universitatea din Oslo și la Universitatea din Boston. „Părea un lucru care merită verificat”.

Fotografie de David Jewitt și Jane Luu
David Jewitt și Jane Luu, înfățișați în Honolulu la începutul anilor 2000, au descoperit Centura Kuiper.D. Jewitt/UCLA

Examinând plăcile fotografice de sticlă și imaginile digitale ale cerului de noapte, Jewitt și Luu au căutat obiecte care se mișcau extrem de încet, un semn revelator al distanței mari față de Pământ. Dar cei doi au continuat să nu găsească nimic. „Anii au trecut și nu am văzut nimic”, spune Luu. „Nu exista nicio garanție că acest lucru va funcționa”.

Valul s-a schimbat în 1992. În noaptea de 30 august, Jewitt și Luu foloseau un telescop al Universității din Hawaii pe Insula Mare. Ei foloseau tehnica lor obișnuită de căutare a obiectelor îndepărtate: Faceți o imagine a cerului de noapte, așteptați o oră sau cam așa ceva, faceți o altă imagine a aceluiași petic de cer și repetați. Un obiect aflat în zonele îndepărtate ale sistemului solar și-ar schimba poziția foarte ușor poziția de la o imagine la alta, în primul rând din cauza mișcării Pământului pe orbita sa. „Dacă este un obiect real, acesta s-ar deplasa sistematic la o anumită rată prevăzută”, spune Luu.

Până la ora 21:14 în acea seară, Jewitt și Luu au colectat două imagini ale aceleiași bucăți din constelația Pești. Cercetătorii au afișat imaginile pe monitorul cu tub catodic bulbos al computerului lor, una după alta, și au căutat orice lucru care se mișcase. Un obiect a ieșit imediat în evidență: O pată de lumină s-a deplasat doar puțin spre vest.

Dar era prea devreme pentru a sărbători. Semnale false de la particule de mare energie care străbat spațiul – raze cosmice – apar tot timpul în imaginile cerului de noapte. Adevăratul test va fi dacă această pată a apărut în mai mult de două imagini, știau cercetătorii.

Jewitt și Luu au așteptat cu nervozitate până la ora 11 p.m. pentru ca aparatul foto al telescopului să termine de luat o a treia imagine. Același obiect era acolo, și se mutase puțin mai departe spre vest. O a patra imagine, colectată imediat după miezul nopții, a arătat că obiectul își schimbase din nou poziția. Acesta este ceva real, își amintește Jewitt gândindu-se. „Am fost pur și simplu spulberați”.

Serie de imagini cu timbru de timp care arată QB1 din 1992
Modul în care obiectul încercuit și-a schimbat poziția pe cer (marcajele temporale din dreapta) le-a indicat lui Jewitt și Luu că obiectul, denumit 1992 QB1, era îndepărtat. A fost prima dovadă a zonei înghețate numită Centura Kuiper.D. Jewitt/UCLA

Bazându-se pe strălucirea obiectului și pe ritmul său lent – ar fi nevoie de aproape o lună pentru ca acesta să parcurgă lățimea Lunii pline, așa cum este văzută de pe Pământ – Jewitt și Luu au făcut câteva calcule rapide. Acest obiect, orice ar fi fost, avea probabil un diametru de aproximativ 250 de kilometri. Este o dimensiune considerabilă, aproximativ o zecime din lățimea lui Pluto. Orbitează mult dincolo de Neptun. Și, cel mai probabil, nu era singur.

Deși Jewitt și Luu au cercetat cu sârguință cerul nopții timp de ani de zile, ei au observat doar o mică parte din el. Cei doi au concluzionat că există probabil mii de alte obiecte ca acesta care așteaptă doar să fie găsite.

Realizarea faptului că sistemul solar exterior era probabil plin de corpuri nedescoperite a fost uluitoare, spune Jewitt. „Am extins enorm volumul cunoscut al sistemului solar”. Obiectul pe care Jewitt și Luu îl găsiseră, 1992 QB1 (SN: 9/26/92, p. 196), a introdus un domeniu cu totul nou.

Doar câteva luni mai târziu, Jewitt și Luu au observat un al doilea obiect care orbitează, de asemenea, mult dincolo de Neptun (SN: 4/10/93, p. 231). Porțile s-au deschis la scurt timp după aceea. „Am găsit 40 sau 50 în următorii câțiva ani”, spune Jewitt. Pe măsură ce detectoarele digitale pe care astronomii le foloseau pentru a capta imagini au crescut în dimensiune și sensibilitate, cercetătorii au început să descopere valuri de obiecte suplimentare. „Atât de multe lumi interesante cu povești interesante”, spune Mike Brown, un astronom de la Caltech care studiază obiectele din Centura Kuiper.

Găsirea tuturor acestor lumi înghețate, unele orbitând chiar dincolo de Pluto, a avut sens într-un fel, au realizat Jewitt și Luu. Pluto a fost întotdeauna o ciudățenie; este un avorton cosmic (mai mic decât luna Pământului) și nu seamănă deloc cu vecinii săi giganți gazoși. Mai mult, orbita sa o duce cu mult deasupra și sub orbitele celorlalte planete. Poate că Pluto nu aparținea lumii planetelor, ci tărâmului a ceea ce se află dincolo, au emis Jewitt și Luu ipoteza. „Am înțeles dintr-o dată de ce Pluto era o planetă atât de ciudată”, spune Jewitt. „Este doar un obiect, poate cel mai mare, dintr-un set de corpuri pe care tocmai l-am întâlnit”. Probabil că Pluto nu va mai fi un membru al clubului planetelor pentru mult timp, au prezis cei doi. Într-adevăr, până în 2006, a fost scoasă (SN: 9/2/06, p. 149).

Privire de aproape

Descoperirea lui 1992 QB1 a deschis ochii lumii asupra centurii Kuiper, numită după astronomul american de origine olandeză Gerard Kuiper. Totuși, într-o întorsătură a istoriei, Kuiper a prezis că această regiune a spațiului va fi goală. În anii 1950, el a propus că orice ocupanți care ar fi putut exista cândva acolo ar fi fost alungați de gravitație în zone și mai îndepărtate ale sistemului solar.

Cu alte cuvinte, Kuiper a anti-prevăzut existența Centurii Kuiper. S-a dovedit a fi greșit.

Astăzi, cercetătorii știu că Centura Kuiper se întinde de la o distanță de aproximativ 30 de unități astronomice de la Soare – în jurul orbitei lui Neptun – până la aproximativ 55 de unități astronomice. Seamănă cu un disc umflat, spune Jewitt. „Superficial, arată ca o gogoașă grasă”.

Corpurile înghețate care populează Centura Kuiper sunt rămășițele unui vârtej de gaz și praf care a dat naștere Soarelui și planetelor. Există „o grămadă de chestii rămase care nu s-au transformat în planete”, spune astronomul Meredith MacGregor de la Universitatea din Colorado Boulder. Atunci când una dintre aceste rămășițe cosmice este împinsă în interiorul sistemului solar de un impuls gravitațional de la o planetă precum Neptun și se apropie de Soare, se transformă într-un obiect pe care îl recunoaștem ca fiind o cometă (SN: 9/12/20, p. 14). Cometele care se învârt în jurul Soarelui doar o dată la 200 de ani sau mai mult provin de obicei din depozitul și mai îndepărtat de corpuri înghețate din sistemul solar, cunoscut sub numele de norul Oort.

Ilustrație care compară dimensiunile centurii de asteroizi, a centurii Kuiper și a norului Oort
Există multe locuri în sistemul solar unde se adună corpuri de gheață: centura de asteroizi situată aproximativ între Jupiter și Marte (sus), centura Kuiper în formă de gogoașă dincolo de planetele gigantice gazoase (mijloc) și cea mai îndepărtată zonă, norul Oort (jos).Mark Garlick/Sursa Știință

În limbaj științific, Centura Kuiper este un disc de resturi (SN Online: 28/07/21). Sistemele solare îndepărtate conțin și ele discuri de resturi, au descoperit oamenii de știință. „Acestea sunt absolut direct analoge cu Centura Kuiper a noastră”, spune MacGregor.

În 2015, oamenii de știință au văzut pentru prima dată de aproape un obiect din Centura Kuiper atunci când nava spațială New Horizons a NASA a zburat pe lângă Pluto (SN Online: 7/15/15). Imaginile pe care New Horizons le-a returnat în anii următori au fost de mii de ori mai detaliate decât observațiile anterioare ale lui Pluto și ale sateliților săi. Nu mai erau doar câțiva pixeli neclare, lumile au fost dezvăluite ca peisaje bogate de vulcani care scuipă gheață și canioane adânci și zimțate (SN: 6/22/19, p. 12; SN Online: 7/13/18). „Sunt absolut extaziat de ceea ce am realizat la Pluto”, a declarat Marc Buie, astronom la Southwest Research Institute din Boulder, Colorado, și membru al echipei New Horizons. „Nici că se putea să meargă mai bine”.

Dar New Horizons nu a terminat cu Centura Kuiper. În ziua de Anul Nou din 2019, când nava spațială se afla la aproape 1,5 miliarde de kilometri dincolo de orbita lui Pluto, a trecut pe lângă un alt obiect din Centura Kuiper. Și ce surpriză a fost. Arrokoth – numele său se referă la „cer” în limba Powhatan/Algonquiană – arată ca o pereche de clătite unite la șold (SN: 21/12/19 & 1/4/20, p. 5; SN: 3/16/19, p. 15). Lung de aproximativ 35 de kilometri de la un capăt la altul, a fost probabil cândva două corpuri separate care s-au ciocnit ușor și s-au lipit. Structura bizară a lui Arrokoth pune în lumină o întrebare fundamentală în astronomie: cum se adună gazul și praful și cum cresc în corpuri mai mari?

O teorie de lungă durată, numită acreție planetară, spune că o serie de coliziuni este responsabilă. Bucățele mici de material se ciocnesc și se lipesc între ele în mod repetat pentru a construi obiecte din ce în ce mai mari, spune JJ Kavelaars, astronom la Universitatea din Victoria și la Consiliul Național de Cercetare din Canada. Dar există o problemă, spune Kavelaars.

Imagine de Arrokoth
În 2019, New Horizons a zburat pe lângă Arrokoth (mai sus), un obiect din Centura Kuiper cu o lungime de aproximativ 35 de kilometri.NASA, JHU-APL, SWRI

Pe măsură ce obiectele devin suficient de mari pentru a exercita o atracție gravitațională semnificativă, ele accelerează pe măsură ce se apropie unele de altele. „Se lovesc unul de altul prea repede și nu se mai lipesc”, spune el. Ar fi neobișnuit ca un obiect mare precum Arrokoth, în special cu structura sa bilobată, să se fi format dintr-o secvență de coliziuni.

Mai probabil, Arrokoth s-a născut dintr-un proces cunoscut sub numele de instabilitate gravitațională, cred acum cercetătorii. În acest scenariu, o aglomerare de material care se întâmplă să fie mai densă decât împrejurimile sale crește prin atragerea de gaz și praf. Acest proces poate forma planete la o scară de timp de mii de ani, în loc de milioanele de ani necesare pentru acreția planetelor. „Scara de timp pentru formarea planetelor se schimbă complet”, spune Kavelaars.

Dacă Arrokoth s-a format în acest fel, probabil că și alte corpuri din sistemul solar au făcut-o. Acest lucru poate însemna că unele părți ale sistemului solar s-au format mult mai rapid decât se credea anterior, spune Buie, care a descoperit Arrokoth în 2014. „Deja Arrokoth a rescris manualele despre cum funcționează formarea sistemului solar”.

Ceea ce au văzut până acum îi face pe oamenii de știință și mai nerăbdători să studieze de aproape un alt obiect din Centura Kuiper. New Horizons încă își croiește drum prin Centura Kuiper, dar timpul se scurge pentru a identifica un nou obiect și a orchestra o întâlnire. Nava spațială, care se află în prezent la 53 de unități astronomice de Soare, se apropie de marginea exterioară a Centurii Kuiper. Mai multe echipe de astronomi folosesc telescoape din întreaga lume pentru a căuta noi obiecte din Centura Kuiper care ar putea să se apropie de New Horizons. „Suntem cu siguranță în căutare”, spune Buie. „Nimic nu ne-ar plăcea mai mult decât să zburăm pe lângă un alt obiect”.

Toți ochii pe Centura Kuiper

Astronomii obțin, de asemenea, o imagine cu unghi larg a Centurii Kuiper prin studierea acesteia cu unele dintre cele mai mari telescoape de pe Pământ. La Telescopul Canada-Franța-Hawaii de pe Mauna Kea – același vârf de munte în care Jewitt și Luu au observat 1992 QB1 – astronomii au încheiat recent studiul Outer Solar System Origins Survey. Acesta a înregistrat peste 800 de obiecte din Centura Kuiper necunoscute anterior, ridicând numărul total cunoscut la aproximativ 3.000.

Fotografie de la Telescopul Canada-Franța-Hawaii
Telescopul Canada-Franța-Hawaii Telescopul Canada-France-Hawaii, aflat în apropierea vârfului Mauna Kea de pe Insula Mare din Hawaii, a dezvăluit sute de obiecte din Centura Kuiper.Gordon W. Myers/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Această muncă de catalogare dezvăluie modele tentante în modul în care aceste corpuri se deplasează în jurul soarelui, spune MacGregor. În loc să fie distribuite uniform, orbitele obiectelor din Centura Kuiper tind să fie grupate în spațiu. Acesta este un semn revelator că aceste corpuri au fost împinse gravitațional în trecut, spune ea.

Cei mai mulți astronomi cred că bătăușii cosmici care au făcut această împingere nu au fost alții decât giganții gazoși ai sistemului solar. La mijlocul anilor 2000, oamenii de știință au propus pentru prima dată că planete precum Neptun și Saturn probabil că planetele precum Neptun și Saturn s-au apropiat și îndepărtat de Soare la începutul istoriei sistemului solar (SN: 5/5/12, p. 24). Această mișcare explică orbitele surprinzător de asemănătoare ale multor obiecte din Centura Kuiper, spune MacGregor. „Planetele gigantice au agitat toate lucrurile din partea exterioară a sistemului solar”.

Rafinarea istoriei timpurii a sistemului solar necesită observații ale și mai multor obiecte din Centura Kuiper, spune Meg Schwamb, astronom la Universitatea Queen’s Belfast din Irlanda de Nord. Cercetătorii se așteaptă ca un nou studiu astronomic, programat să înceapă anul viitor, să găsească încă aproximativ 40.000 de obiecte din Centura Kuiper. Observatorul Vera C. Rubin, construit în partea central-nordică a statului Chile, va folosi camera sa de 3.200 de megapixeli pentru a fotografia în mod repetat întregul cer din emisfera sudică la fiecare câteva nopți, timp de 10 ani. Acest proiect, Legacy Survey of Space and Time, sau LSST (Legacy Survey of Space and Time), va revoluționa modul în care înțelegem modul în care a evoluat sistemul solar timpuriu, spune Schwamb, copreședinte al LSST Solar System Science Collaboration.

Fotografie de la Observatorul Vera C. Rubin
Observatorul Vera C. Rubin din Chile ar trebui să detecteze aproximativ 40.000 de obiecte din Centura Kuiper cu ajutorul oglinzii sale de 8,4 metri și a celei mai mari camere digitale din lume.Observatorul Rubin/NSF și AURA

Este interesant să ne gândim la ceea ce am putea afla în continuare din Centura Kuiper, spune Jewitt. Descoperirile care ne așteaptă vor fi posibile, în mare parte, datorită progreselor tehnologice, spune el. „O fotografie cu una dintre camerele de supraveghere moderne reprezintă aproximativ o mie de fotografii cu configurația noastră din 1992”.

Dar chiar dacă descoperim mai multe despre acest tărâm îndepărtat al sistemului solar, un pic de uimire ar trebui să rămână întotdeauna, spune Jewitt. „Este cea mai mare parte a sistemului solar pe care am observat-o până acum”.