Objeto transneptuniano

Comparación artística de Plutón, Eris, Haumea, Makemake, Gonggong, Quaoar, Sedna, Orcus, Salacia, 2002 MS4, y la Tierra junto con la Luna

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• e

Un objeto transneptuniano (TNO), también escrito objeto transneptuniano, es cualquier planeta menor del Sistema Solar que orbita alrededor del Sol. a una distancia media mayor que Neptuno, que tiene un semieje mayor de 30,1 unidades astronómicas (au).

Por lo general, los TNO se dividen en los objetos clásicos y resonantes del cinturón de Kuiper, el disco disperso y los objetos separados, siendo los sednoides los más distantes. A octubre de 2020, el catálogo de planetas menores contiene 678 TNO numerados y más de 2000 no numerados.

El primer objeto transneptuniano que se descubrió fue Plutón en 1930. Se tardó hasta 1992 en descubrir un segundo objeto transneptuniano que orbitaba directamente alrededor del Sol, 15760 Albion. El TNO más masivo conocido es Eris, seguido de Plutón, Haumea, Makemake y Gonggong. Se han descubierto más de 80 satélites en órbita de objetos transneptunianos. Los TNO varían en color y son azul grisáceo (BB) o muy rojo (RR). Se cree que están compuestos de mezclas de roca, carbono amorfo y hielos volátiles como agua y metano, recubiertos con tolinas y otros compuestos orgánicos.

Se conocen doce planetas menores con un semieje mayor de 150 au y un perihelio de más de 30 au, que se denominan objetos transneptunianos extremos (ETNO).

Historia

Descubrimiento de Plutón

Imagen de Plutón por Nuevos Horizontes

La órbita de cada uno de los planetas se ve ligeramente afectada por las influencias gravitatorias de los otros planetas. Las discrepancias a principios del siglo XX entre las órbitas observadas y esperadas de Urano y Neptuno sugirieron que había uno o más planetas adicionales más allá de Neptuno. La búsqueda de estos condujo al descubrimiento de Plutón en febrero de 1930, que era demasiado pequeño para explicar las discrepancias. Las estimaciones revisadas de la masa de Neptuno del sobrevuelo de la Voyager 2 en 1989 mostraron que el problema era falso. Plutón fue más fácil de encontrar porque tiene la magnitud aparente más alta de todos los objetos transneptunianos conocidos. También tiene una menor inclinación hacia la eclíptica que la mayoría de los otros TNO grandes.

Descubrimientos posteriores

Después del descubrimiento de Plutón, el astrónomo estadounidense Clyde Tombaugh continuó buscando durante algunos años objetos similares, pero no encontró ninguno. Durante mucho tiempo, nadie buscó otros TNO, ya que generalmente se creía que Plutón, que hasta agosto de 2006 estaba clasificado como planeta, era el único objeto importante más allá de Neptuno. Solo después del descubrimiento en 1992 de un segundo TNO, 15760 Albion, comenzaron las búsquedas sistemáticas de más objetos de este tipo. Se fotografió y evaluó digitalmente una amplia franja del cielo alrededor de la eclíptica para detectar objetos que se mueven lentamente. Se encontraron cientos de TNO, con diámetros en el rango de 50 a 2.500 kilómetros. Eris, el TNO más masivo, fue descubierto en 2005, revisando una disputa de larga data dentro de la comunidad científica sobre la clasificación de los TNO grandes y si objetos como Plutón pueden considerarse planetas. Plutón y Eris finalmente fueron clasificados como planetas enanos por la Unión Astronómica Internacional. En diciembre de 2018, se anunció el descubrimiento de 2018 VG18, apodado "Farout". Farout es el objeto del sistema solar más distante observado hasta ahora y está a unas 120 au de distancia del sol. Se necesitan 738 años para completar una órbita.

Clasificación

Distribución de objetos trans-neptunianos

Diagrama de Euler que muestra los tipos de cuerpos en el Sistema Solar.

Según su distancia al Sol y sus parámetros orbitales, los TNO se clasifican en dos grandes grupos: los objetos del cinturón de Kuiper (KBO) y los objetos de disco disperso (SDO). El diagrama de la derecha ilustra la distribución de objetos transneptunianos conocidos (hasta 70 au) en relación con las órbitas de los planetas y los centauros como referencia. Las diferentes clases están representadas en diferentes colores. Los objetos resonantes (incluidos los troyanos de Neptuno) se representan en rojo, los objetos clásicos del cinturón de Kuiper en azul. El disco disperso se extiende hacia la derecha, mucho más allá del diagrama, con objetos conocidos a distancias medias superiores a 500 au (Sedna) y afelios superiores a 1000 ((87269) 2000 OO67).

KBO

El cinturón de Edgeworth-Kuiper contiene objetos con una distancia promedio al Sol de 30 a aproximadamente 55 ua, que generalmente tienen órbitas casi circulares con una pequeña inclinación desde la eclíptica. Los objetos del cinturón de Edgeworth-Kuiper se clasifican además en el objeto transneptuniano resonante, que está encerrado en una resonancia orbital con Neptuno, y los objetos clásicos del cinturón de Kuiper, también llamados "cubewanos", que no tienen tal resonancia. moviéndose en órbitas casi circulares, sin ser perturbado por Neptuno. Hay una gran cantidad de subgrupos resonantes, siendo los más grandes los dostinos (resonancia 1:2) y los plutinos (resonancia 2:3), llamados así por su miembro más destacado, Plutón. Los miembros del clásico cinturón Edgeworth-Kuiper incluyen 15760 Albion, 50000 Quaoar y Makemake.

Otra subclase de objetos del cinturón de Kuiper son los llamados objetos de dispersión (SO). Estos son objetos no resonantes que se acercan lo suficiente a Neptuno como para cambiar sus órbitas de vez en cuando (como causar cambios en el semieje mayor de al menos 1,5 AU en 10 millones de años) y, por lo tanto, experimentan dispersión gravitacional. Los objetos dispersos son más fáciles de detectar que otros objetos transneptunianos del mismo tamaño porque se acercan más a la Tierra, algunos con perihelio alrededor de 20 UA. Se conocen varios con una magnitud absoluta de banda g inferior a 9, lo que significa que el diámetro estimado es de más de 100 km. Se estima que hay entre 240 000 y 830 000 objetos de dispersión mayores que la magnitud absoluta 12 de la banda R, correspondientes a diámetros superiores a unos 18 km. Se supone que los objetos dispersos son la fuente de los llamados cometas de la familia de Júpiter (JFC), que tienen períodos de menos de 20 años.

SDO

El disco disperso contiene objetos más alejados del Sol, con órbitas muy excéntricas e inclinadas. Estas órbitas son no resonantes y no cruzan órbitas planetarias. Un ejemplo típico es el TNO más masivo conocido, Eris. Según el parámetro de Tisserand relativo a Neptuno (T_N), los objetos del disco disperso se pueden dividir en "típicos" objetos de disco dispersos (SDO, Scatter-near) con un T_N de menos de 3, y en los objetos separados (ESDO, Scatter-extended) con un T_N mayor de 3. Además, los objetos separados tienen una excentricidad promediada en el tiempo superior a 0,2. Los sednoides son otro subgrupo extremo de los objetos separados con perihelio tan distante que se confirma que sus órbitas no pueden explicarse por las perturbaciones de los planetas gigantes., ni por interacción con las mareas galácticas.

Características físicas

Mirando hacia atrás a Plutón, el mayor KBO visitado hasta ahora

Dada la magnitud aparente (>20) de todos los objetos transneptunianos excepto los más grandes, los estudios físicos se limitan a lo siguiente:

• emisiones térmicas para los objetos más grandes (ver determinación de tamaño)
• índices de color, es decir, comparaciones de las magnitudes aparentes utilizando diferentes filtros
• análisis de espectros, visuales e infrarrojos

Estudiar colores y espectros proporciona información sobre los objetos' origen y una correlación potencial con otras clases de objetos, a saber, centauros y algunos satélites de planetas gigantes (Tritón, Phoebe), que se sospecha que se originaron en el cinturón de Kuiper. Sin embargo, las interpretaciones suelen ser ambiguas, ya que los espectros pueden ajustarse a más de un modelo de la composición de la superficie y dependen del tamaño de partícula desconocido. Más significativamente, las superficies ópticas de los cuerpos pequeños están sujetas a modificaciones por la radiación intensa, el viento solar y los micrometeoritos. En consecuencia, la capa superficial óptica delgada podría ser bastante diferente del regolito debajo y no representativa de la composición general del cuerpo.

Se cree que los TNO pequeños son mezclas de roca y hielo de baja densidad con algún material superficial orgánico (que contiene carbono) como la tolina, detectado en sus espectros. Por otro lado, la alta densidad de Haumea, 2,6–3,3 g/cm³, sugiere un contenido muy alto de no hielo (comparar con la densidad de Plutón: 1,86 g/cm³). La composición de algunos pequeños TNO podría ser similar a la de los cometas. De hecho, algunos centauros experimentan cambios estacionales cuando se acercan al Sol, lo que hace que el límite sea borroso (ver 2060 Chiron y 7968 Elst–Pizarro). Sin embargo, las comparaciones de población entre centauros y TNO siguen siendo controvertidas.

Índices de color

Colores de objetos trans-neptunianos. Marte y Triton no van a escalar. Phoebe y Pholus no son trans-Neptunian.

Ilustración de los tamaños relativos, albedos y colores de algunos TNOs grandes

Los índices de color son medidas simples de las diferencias en la magnitud aparente de un objeto visto a través de filtros azul (B), visible (V), es decir, verde-amarillo y rojo (R). El diagrama ilustra los índices de color conocidos para todos los objetos excepto los más grandes (en color ligeramente realzado). Como referencia, se trazan dos lunas: Tritón y Febe, el centauro Folo y el planeta Marte (etiquetas amarillas, el tamaño no está a escala). Se han estudiado las correlaciones entre los colores y las características orbitales, para confirmar teorías de diferente origen de las diferentes clases dinámicas:

• El objeto clásico del cinturón Kuiper (cubewano) parece estar compuesto por dos poblaciones de colores diferentes: la llamada población fría (inclination <5°), mostrando sólo colores rojos, y la llamada población caliente (alta inclinación) que muestra toda la gama de colores de azul a muy rojo. Un análisis reciente basado en los datos de Deep Ecliptic Survey confirma esta diferencia de color entre la baja inclusión (nombrada Core) y alta inclusión (nombre Halo) objetos. Los colores rojos de los objetos del núcleo junto con sus órbitas no perturbadas sugieren que estos objetos podrían ser una reliquia de la población original del cinturón.
• Los objetos de disco estampados muestran color parecidos con objetos clásicos calientes que apuntan a un origen común.

Mientras que los cuerpos relativamente más tenues, así como la población en general, son rojizos (V−I = 0,3–0,6), los objetos más grandes suelen tener un color más neutro (índice infrarrojo V−I < 0,2). Esta distinción lleva a sugerir que la superficie de los cuerpos más grandes está cubierta de hielo, ocultando las áreas más rojas y oscuras debajo.

Tipo espectral

Entre los TNO, como entre los centauros, existe una amplia gama de colores, desde el gris azulado (neutro) hasta el muy rojo, pero a diferencia de los centauros, agrupados bimodalmente en centauros grises y rojos, la distribución de los TNO parece ser uniforme. La amplia gama de espectros difiere en la reflectividad en el rojo visible y el infrarrojo cercano. Los objetos neutros presentan un espectro plano, reflejando tanto el rojo y el infrarrojo como el espectro visible. Los objetos muy rojos presentan una pendiente pronunciada, reflejando mucho más en rojo e infrarrojo. Un intento reciente de clasificación (común con los centauros) utiliza el total de cuatro clases desde BB (azul o color neutro, B−V promedio = 0,70, V−R = 0,39, por ejemplo, Orcus) hasta RR (muy rojo, B−V = 1,08, V−R = 0,71, p. ej. Sedna) con BR e IR como clases intermedias. BR (azul-rojo intermedio) e IR (moderadamente rojo) difieren principalmente en las bandas infrarrojas I, J y H.

Los modelos típicos de la superficie incluyen hielo de agua, carbono amorfo, silicatos y macromoléculas orgánicas, denominadas tolinas, creadas por una radiación intensa. Se utilizan cuatro tolinas principales para adaptarse a la pendiente de enrojecimiento:

• Titan tholin, se cree que se produce a partir de una mezcla de 90% N₂ (nitrógeno) y 10% CH₄ (metano)
• Triton tholin, como arriba pero con muy bajo (0,1%) contenido de metano
• (etano) Hielo tholin I, se cree que se produce a partir de una mezcla de 86% H2O y 14% C₂H₆ (etano)
• (metanol) Hielo tholin II, 80% H₂O, 16% CH₃OH (metanol) y 3% CO₂

Como ilustración de las dos clases extremas BB y RR, se han sugerido las siguientes composiciones

• para Sedna (RR muy rojo): 24% Triton tholin, 7% carbon, 10% N₂, 26% de metanol y 33% de metano
• para Orcus (BB, gris/azul): 85% de carbono amorfo, +4% Titan tholin, y 11% H₂O hielo

Determinación y distribución del tamaño

Comparación de tamaño entre la Luna, la luna de Neptune Triton, Plutón, varios TNOs grandes, y el asteroide Ceres. Sus formas respectivas no están representadas.

Típicamente, los objetos grandes (brillantes) suelen estar en órbitas inclinadas, mientras que el plano invariable reagrupa principalmente objetos pequeños y tenues.

Es difícil estimar el diámetro de los TNO. Para objetos muy grandes, con elementos orbitales muy conocidos (como Plutón), los diámetros se pueden medir con precisión mediante la ocultación de estrellas. Para otros TNO grandes, los diámetros se pueden estimar mediante mediciones térmicas. Se conoce la intensidad de la luz que ilumina el objeto (a partir de su distancia al Sol), y se supone que la mayor parte de su superficie está en equilibrio térmico (normalmente no es una mala suposición para un cuerpo sin aire). Para un albedo conocido, es posible estimar la temperatura de la superficie y, en consecuencia, la intensidad de la radiación de calor. Además, si se conoce el tamaño del objeto, es posible predecir tanto la cantidad de luz visible como la radiación de calor emitida que llega a la Tierra. Un factor simplificador es que el Sol emite casi toda su energía en luz visible y en frecuencias cercanas, mientras que a las bajas temperaturas de los TNO, la radiación de calor se emite en longitudes de onda completamente diferentes (el infrarrojo lejano).

Por lo tanto, hay dos incógnitas (albedo y tamaño), que pueden determinarse mediante dos mediciones independientes (de la cantidad de luz reflejada y la radiación de calor infrarroja emitida). Desafortunadamente, los TNO están tan lejos del Sol que son muy fríos, por lo que producen una radiación de cuerpo negro de alrededor de 60 micrómetros de longitud de onda. Esta longitud de onda de luz es imposible de observar en la superficie de la Tierra, pero solo desde el espacio usando, p. el Telescopio Espacial Spitzer. Para las observaciones desde tierra, los astrónomos observan la cola de la radiación del cuerpo negro en el infrarrojo lejano. Esta radiación infrarroja lejana es tan tenue que el método térmico solo es aplicable a los KBO más grandes. Para la mayoría de los objetos (pequeños), el diámetro se estima asumiendo un albedo. Sin embargo, los albedos encontrados oscilan entre 0,50 y 0,05, lo que da como resultado un rango de tamaño de 1200 a 3700 km para un objeto de magnitud 1,0.

Objetos notables

Exploración

Kuiper objeto cinturón 486958 Arrokoth, en imágenes tomadas por el Nuevos Horizontes naves espaciales

Hasta la fecha, la única misión dirigida principalmente a un objeto transneptuniano fue New Horizons de la NASA, que se lanzó en enero de 2006 y sobrevoló el sistema de Plutón en julio de 2015 y 486958 Arrokoth en enero de 2019.

En 2011, un estudio de diseño exploró un estudio de nave espacial de Quaoar, Sedna, Makemake, Haumea y Eris.

En 2019, una misión a TNO incluyó diseños para captura orbital y escenarios de objetivos múltiples.

Algunos TNO que se estudiaron en un documento de estudio de diseño fueron 2002 UX25, 1998 WW31 y Lempo.

La existencia de planetas más allá de Neptuno, que van desde menos de una masa terrestre (Sub-Tierra) hasta una enana marrón, se ha postulado a menudo por diferentes razones teóricas para explicar varias características observadas o especuladas del cinturón de Kuiper y la nube de Oort.. Recientemente se propuso utilizar datos de alcance de la nave espacial New Horizons para restringir la posición de dicho cuerpo hipotético.

La NASA ha estado trabajando en un precursor interestelar dedicado en el siglo XXI, uno diseñado intencionalmente para alcanzar el medio interestelar, y como parte de esto también se considera el sobrevuelo de objetos como Sedna. En general, los estudios de este tipo de naves espaciales han propuesto un lanzamiento en la década de 2020 e intentarían ir un poco más rápido que las Voyagers utilizando la tecnología existente. Un estudio de diseño de 2018 para un precursor interestelar incluyó una visita al planeta menor 50000 Quaoar, en la década de 2030.

Objetos transneptunianos extremos

Vista general de objetos trans-neptunianos con TNOs extremos agrupados en tres categorías en la parte superior.

La órbita de Sedna lo lleva mucho más allá incluso del cinturón Kuiper (30–50 au), a casi 1.000 au (Distancia Sur–Tierra)

Entre los objetos transneptunianos extremos hay tres objetos de alto perihelio clasificados como sednoides: 90377 Sedna, 2012 VP113 y 541132 Leleākūhonua. Son objetos separados distantes con perihelio mayor a 70 au. Su alto perihelio los mantiene a una distancia suficiente para evitar perturbaciones gravitacionales significativas de Neptuno. Las explicaciones anteriores para el alto perihelio de Sedna incluyen un encuentro cercano con un planeta desconocido en una órbita distante y un encuentro distante con una estrella aleatoria o un miembro del cúmulo de nacimiento del Sol que pasó cerca del Sistema Solar.

En la ficción

• Plutón en ficción