Пояс Койпера: Область за пределами планет Солнечной системы

Введение

Область Солнечной системы за пределами планет, включающая малые тела.

Пояс Койпера (/'//k//aɪ//p//ər/ KYpər) — это околозвездный диск во внешней части Солнечной системы, простирающийся от орбиты Нептуна на 30 астрономических единиц (а.е.) до приблизительно 50 а.е. от Солнца. Он похож на пояс астероидов, но значительно больше — в 20 раз шире и в 20–200 раз массивнее. Как и пояс астероидов, он состоит в основном из малых тел или остатков, образовавшихся при формировании Солнечной системы. В то время как многие астероиды состоят преимущественно из горных пород и металла, большинство объектов пояса Койпера состоят в основном из замороженных летучих веществ (так называемых "льдов"), таких как метан, аммиак и вода. Пояс Койпера является домом для большинства объектов, которые астрономы обычно классифицируют как карликовые планеты: Оркус, Плутон, Хаумеа, Кваоар и Макамаке. Некоторые спутники Солнечной системы, такие как Тритон Нептуна и Фиба Сатурна, могли образоваться в этом регионе. Пояс Койпера назван в честь голландского астронома Джерарда Койпера, который предположил его существование в 1951 году. До и после него другие исследователи также высказывали предположения о его существовании, например, Кеннет Эджворт в 1930-х годах. Астроном Хулио Анхель Фернандес опубликовал статью в 1980 году, в которой предполагалось существование пояса комет за Нептуном, который мог бы служить источником короткопериодических комет. В 1992 году была открыта малая планета (15760) Альбион — первый объект пояса Койпера (ОПК) после Плутона (в 1930 году) и Харона (в 1978 году). Первоначально считалось, что пояс Койпера является основным резервуаром периодических комет, то есть комет с периодом обращения менее 200 лет. Однако исследования, проведенные с середины 1990-х годов, показали, что пояс динамически стабилен, а истинным местом происхождения комет является рассеянный диск — динамически активная зона, образовавшаяся в результате миграции Нептуна наружу 4,5 миллиарда лет назад. Объекты рассеянного диска, такие как Эрида, имеют сильно вытянутые орбиты, удаляющие их на расстояние до 100 а.е. от Солнца. Пояс Койпера отличается от гипотетического облака Оорта, которое, как предполагается, находится в тысячу раз дальше и имеет преимущественно сферическую форму. Объекты в поясе Койпера, вместе с членами рассеянного диска и любыми потенциальными объектами облака Хиллса или облака Оорта, коллективно называются транснептуновыми объектами (ТНО). Плутон является самым крупным и массивным членом пояса Койпера и самым крупным и вторым по массе известным ТНО, уступая только Эриде в рассеянном диске. Изначально считавшийся планетой, статус Плутона как части пояса Койпера привел к его переклассификации в карликовую планету в 2006 году. Его состав аналогичен составу многих других объектов пояса Койпера, а его период обращения характерен для класса ОПК, известных как "плютино", которые имеют тот же резонанс 2:3 с Нептуном. Пояс Койпера и Нептун могут рассматриваться как показатель границы Солнечной системы, альтернативными вариантами являются гелиопауза и расстояние, на котором гравитационное влияние Солнца уравновешивается влиянием других звезд (оценивается от 50 000 до 125 000 а.е.).

The Kuiper belt (/'//k//aɪ//p//ər/ KYpər) is a circumstellar disc in the outer Solar System, extending from the orbit of Neptune at 30 astronomical units (AU) to approximately 50 AU from the Sun. It is similar to the asteroid belt, but is far larger—20 times as wide and 20–200 times as massive. Like the asteroid belt, it consists mainly of small bodies or remnants from when the Solar System formed. While many asteroids are composed primarily of rock and metal, most Kuiper belt objects are composed largely of frozen volatiles (termed "ices"), such as methane, ammonia, and water. The Kuiper belt is home to most of the objects that astronomers generally accept as dwarf planets: Orcus, Pluto, Haumea, Quaoar, and Makemake. Some of the Solar System's moons, such as Neptune's Triton and Saturn's Phoebe, may have originated in the region. The Kuiper belt is named in honor of the Dutch astronomer Gerard Kuiper, who conjectured the existence of the belt in 1951. There were researchers before and after him who also speculated on its existence, such as Kenneth Edgeworth in the 1930s. The astronomer Julio Angel Fernandez published a paper in 1980 suggesting the existence of a comet belt beyond Neptune which could serve as a source for short period comets. In 1992, minor planet (15760) Albion was discovered, the first Kuiper belt object (KBO) since Pluto (in 1930) and Charon (in 1978). The Kuiper belt was initially thought to be the main repository for periodic comets, those with orbits lasting less than 200 years. Studies since the mid 1990s have shown that the belt is dynamically stable and that comets' true place of origin is the scattered disc, a dynamically active zone created by the outward motion of Neptune 4.5 billion years ago; scattered disc objects such as Eris have extremely eccentric orbits that take them as far as 100 AU from the Sun. The Kuiper belt is distinct from the hypothesized Oort cloud, which is believed to be a thousand times more distant and mostly spherical. The objects within the Kuiper belt, together with the members of the scattered disc and any potential Hills cloud or Oort cloud objects, are collectively referred to as trans Neptunian objects (TNOs). Pluto is the largest and most massive member of the Kuiper belt and the largest and the second most massive known TNO, surpassed only by Eris in the scattered disc. Originally considered a planet, Pluto's status as part of the Kuiper belt caused it to be reclassified as a dwarf planet in 2006. It is compositionally similar to many other objects of the Kuiper belt, and its orbital period is characteristic of a class of KBOs, known as "plutinos," that share the same 2:3 resonance with Neptune. The Kuiper belt and Neptune may be treated as a marker of the extent of the Solar System, alternatives being the heliopause and the distance at which the Sun's gravitational influence is matched by that of other stars (estimated to be between 50000 and 125000).

История

После открытия Плутона в 1930 году многие предполагали, что он не единственный. Область, которую сейчас называют поясом Койпера, десятилетиями гипотетизировалась в различных вариантах. Лишь в 1992 году были найдены первые прямые доказательства его существования. Множество и разнообразие предшествующих предположений о природе пояса Койпера продолжают вызывать споры о том, кто впервые его предложил.

Гипотезы

Первым астрономом, предположившим существование транснептунианских объектов, был Фредерик К. Леонард. Вскоре после открытия Плутона Клайдом Томбо в 1930 году Леонард задумался, "не является ли вероятным, что Плутон – это первый из серии ультранептунических тел, остальные члены которых еще предстоит открыть, но которые в конечном итоге будут обнаружены?". В том же году астроном Армин О. Лейшнер предположил, что Плутон "может быть одним из многих долгопериодических планетарных объектов, которые еще предстоит обнаружить". В 1943 году в журнале Британской астрономической ассоциации Кеннет Эджворт выдвинул гипотезу о том, что в области за Нептуном материал в первобытной солнечной туманности был слишком разрежен, чтобы конденсироваться в планеты, и поэтому скорее конденсировался в множество меньших тел. Отсюда он заключил, что "внешняя область Солнечной системы, за орбитами планет, занята очень большим количеством сравнительно небольших тел" и что время от времени одно из них "отклоняется от своей орбиты и появляется как случайный посетитель внутренней Солнечной системы". Говорят, что Койпер исходил из распространенного в его время предположения, что Плутон имеет размер Земли и поэтому рассеял эти тела в сторону облака Оорта или за пределы Солнечной системы; если бы это было так, пояса Койпера сегодня бы не существовало. В последующие десятилетия гипотеза приобрела множество других форм. В 1962 году физик Эл Г. В. Кэмерон предположил существование "огромной массы мелкого вещества на окраине Солнечной системы". Наблюдения опровергли эту гипотезу. В 1992 году на аналогичной орбите был обнаружен еще один объект – 5145 Pholus. Сегодня известно, что в области между Юпитером и Нептуном существует целая популяция кометоподобных тел, называемых кентаврами. Орбиты кентавров нестабильны и имеют динамическое время жизни в несколько миллионов лет. С момента открытия Хирона в 1977 году астрономы предполагали, что кентавры должны постоянно пополняться из какого-то внешнего резервуара. Одним из предложений такого резервуара является облако Оорта – возможно, сферический рой комет, простирающийся за пределы 50 000 а.е. от Солнца, впервые предложенное голландским астрономом Яном Оортом в 1950 году. Облако Оорта считается источником комет длительного периода, таких как комета Хейла-Боппа, с орбитами, длящиеся тысячи лет. Существует и другая популяция комет, известная как короткопериодические или периодические кометы, состоящая из комет, таких как комета Галлея, с орбитальными периодами менее 200 лет. К 1970-м годам скорость открытия короткопериодических комет становилась все более несогласуемой с их происхождением исключительно из облака Оорта. Продолжая работу Фернандеса, в 1988 году канадская команда Мартина Дункана, Тома Куинна и Скотта Тремейна провела ряд компьютерных симуляций, чтобы определить, могли ли все наблюдаемые кометы прибыть из облака Оорта. Они обнаружили, что облако Оорта не может объяснить все короткопериодические кометы, особенно учитывая, что короткопериодические кометы сгруппированы вблизи плоскости Солнечной системы, в то время как кометы из облака Оорта, как правило, прибывают из любой точки на небе. Добавление к моделям "пояса", как его описал Фернандес, позволило симуляциям соответствовать наблюдениям. По сообщениям, из-за того, что слова "Койпер" и "кометный пояс" появились в первом предложении статьи Фернандеса, Тремейн назвал эту гипотетическую область "поясом Койпера". Он призвал тогдашнюю аспирантку Джейн Лу помочь ему в его стремлении найти другой объект за орбитой Плутона, потому что, как он ей сказал: "Если мы этого не сделаем, никто не сделает". К 2018 году было обнаружено более 2000 объектов пояса Койпера. Более тысячи тел были найдены в поясе за двадцать лет (1992–2012), после обнаружения (названного в 2018 году 15760 Альбион), что свидетельствует об обширном поясе тел, состоящем не только из Плутона и Альбиона. К 2010-м годам полная протяженность и природа тел пояса Койпера в значительной степени неизвестны. Исследования, проведенные с момента первой картографии транснептунического региона, показали, что область, теперь называемая поясом Койпера, не является источником короткопериодических комет, а они происходят из связанной популяции, называемой рассеянным диском. Рассеянный диск образовался, когда Нептун мигрировал наружу в протопояс Койпера, который в то время был намного ближе к Солнцу, и оставил после себя популяцию динамически стабильных объектов, на которые не может повлиять его орбита (собственно пояс Койпера), и популяцию, перигелии которой достаточно близки, чтобы Нептун все еще мог возмущать их во время своего движения вокруг Солнца (рассеянный диск). Поскольку рассеянный диск динамически активен, а пояс Койпера относительно динамически стабилен, рассеянный диск теперь считается наиболее вероятным источником периодических комет. Термин "транснептунический объект" (ТНО) рекомендуется для обозначения объектов в поясе несколькими научными группами, поскольку этот термин вызывает меньше споров, чем другие – хотя это и не точный синоним, поскольку ТНО включают все объекты, обращающиеся вокруг Солнца за орбитой Нептуна, а не только объекты в поясе Койпера.

The first astronomer to suggest the existence of a trans Neptunian population was Frederick C. Leonard. Soon after Pluto's discovery by Clyde Tombaugh in 1930, Leonard pondered whether it was "not likely that in Pluto there has come to light the first of a series of ultra Neptunian bodies, the remaining members of which still await discovery but which are destined eventually to be detected". That same year, astronomer Armin O. Leuschner suggested that Pluto "may be one of many long period planetary objects yet to be discovered." In 1943, in the Journal of the British Astronomical Association, Kenneth Edgeworth hypothesized that, in the region beyond Neptune, the material within the primordial solar nebula was too widely spaced to condense into planets, and so rather condensed into a myriad smaller bodies. From this he concluded that "the outer region of the solar system, beyond the orbits of the planets, is occupied by a very large number of comparatively small bodies" and that, from time to time, one of their number "wanders from its own sphere and appears as an occasional visitor to the inner solar system", It is said that Kuiper was operating on the assumption, common in his time, that Pluto was the size of Earth and had therefore scattered these bodies out toward the Oort cloud or out of the Solar System; there would not be a Kuiper belt today if this were correct. The hypothesis took many other forms in the following decades. In 1962, physicist Al G. W. Cameron postulated the existence of "a tremendous mass of small material on the outskirts of the solar system". Observation ruled out this hypothesis. In 1992, another object, 5145 Pholus, was discovered in a similar orbit. Today, an entire population of comet like bodies, called the centaurs, is known to exist in the region between Jupiter and Neptune. The centaurs' orbits are unstable and have dynamical lifetimes of a few million years. From the time of Chiron's discovery in 1977, astronomers have speculated that the centaurs therefore must be frequently replenished by some outer reservoir. A proposal for such an area of replenishment is the Oort cloud, possibly a spherical swarm of comets extending beyond 50,000 AU from the Sun first hypothesised by Dutch astronomer Jan Oort in 1950. The Oort cloud is thought to be the point of origin of long period comets, which are those, like Hale–Bopp, with orbits lasting thousands of years. ]]There is another comet population, known as short period or periodic comets, consisting of those comets that, like Halley's Comet, have orbital periods of less than 200 years. By the 1970s, the rate at which short period comets were being discovered was becoming increasingly inconsistent with their having emerged solely from the Oort cloud. Following up on Fernández's work, in 1988 the Canadian team of Martin Duncan, Tom Quinn and Scott Tremaine ran a number of computer simulations to determine if all observed comets could have arrived from the Oort cloud. They found that the Oort cloud could not account for all short period comets, particularly as short period comets are clustered near the plane of the Solar System, whereas Oort cloud comets tend to arrive from any point in the sky. With a "belt", as Fernández described it, added to the formulations, the simulations matched observations. Reportedly because the words "Kuiper" and "comet belt" appeared in the opening sentence of Fernández's paper, Tremaine named this hypothetical region the "Kuiper belt". He encouraged then graduate student Jane Luu to aid him in his endeavour to locate another object beyond Pluto's orbit, because, as he told her, "If we don't, nobody will." By 2018, over 2000 Kuiper belts objects had been discovered. Over one thousand bodies were found in a belt in the twenty years (1992–2012), after finding (named in 2018, 15760 Albion), showing a vast belt of bodies more than just Pluto and Albion. By the 2010s the full extent and nature of Kuiper belt bodies is largely unknown. Studies conducted since the trans Neptunian region was first charted have shown that the region now called the Kuiper belt is not the point of origin of short period comets, but that they instead derive from a linked population called the scattered disc. The scattered disc was created when Neptune migrated outward into the proto Kuiper belt, which at the time was much closer to the Sun, and left in its wake a population of dynamically stable objects that could never be affected by its orbit (the Kuiper belt proper), and a population whose perihelia are close enough that Neptune can still disturb them as it travels around the Sun (the scattered disc). Because the scattered disc is dynamically active and the Kuiper belt relatively dynamically stable, the scattered disc is now seen as the most likely point of origin for periodic comets. The term "trans Neptunian object" (TNO) is recommended for objects in the belt by several scientific groups because the term is less controversial than all others—it is not an exact synonym though, as TNOs include all objects orbiting the Sun past the orbit of Neptune, not just those in the Kuiper belt.

Структура

В своем полном объеме (но без учета рассеянного диска), включая его отдаленные регионы, пояс Койпера простирается примерно от 30 до 55 а.е. Основная часть пояса обычно считается простирающейся от резонанса среднего движения 2:3 (см. ниже) на 39,5 а.е. до резонанса 1:2 примерно на 48 а.е. Пояс Койпера довольно толстый: основная концентрация простирается до десяти градусов за пределы плоскости эклиптики, а более диффузное распределение объектов – в несколько раз дальше. В целом он больше похож на тор или пончик, чем на пояс. Его среднее положение наклонено к эклиптике на 1,86 градуса. Присутствие Нептуна оказывает глубокое влияние на структуру пояса Койпера из-за орбитальных резонансов. За время, сравнимое с возрастом Солнечной системы, гравитация Нептуна дестабилизирует орбиты объектов, случайно оказавшихся в определенных областях, выбрасывая их либо во внутреннюю Солнечную систему, либо в рассеянный диск или межзвездное пространство. Это приводит к образованию заметных пробелов в текущей структуре пояса Койпера, аналогичных пробелам Кирквуда в поясе астероидов. Например, в области между 40 и 42 а.е. ни один объект не может поддерживать стабильную орбиту в течение такого длительного времени, и любой объект, обнаруженный в этой области, должен был мигрировать туда относительно недавно.

Классический пояс

Между резонансами 2:3 и 1:2 с Нептуном, на расстоянии примерно 42–48 а.е., гравитационные взаимодействия с Нептуном происходят в течение длительного времени, и объекты могут сохранять свои орбиты практически неизменными. Эта область известна как классический пояс Койпера, и его представители составляют около двух третей всех известных объектов пояса Койпера (KBO). Поскольку первым обнаруженным современным объектом пояса Койпера (Albion, но долгое время называемым (15760) 1992 QB1) считается прототип этой группы, классические объекты пояса Койпера часто называют кубевано ("Q B 1 os"). Руководство, установленное Международным астрономическим союзом (МАС), предписывает давать классическим объектам пояса Койпера имена мифологических существ, связанных с сотворением мира. Классический пояс Койпера, по-видимому, состоит из двух отдельных популяций. Первая, известная как "динамически холодная" популяция, имеет орбиты, схожие с планетарными: почти круговые, с орбитальной эксцентричностью менее 0,1 и относительно небольшими наклонениями – до 10° (они расположены близко к плоскости Солнечной системы, а не под углом). Холодная популяция также содержит концентрацию объектов, называемую ядром, с большими полуосями в диапазоне 44–44,5 а.е. Вторая популяция, "динамически горячая", имеет орбиты, наклоненные к эклиптике на величину до 30°. Эти популяции получили такие названия не из-за существенной разницы в температуре, а по аналогии с частицами газа, которые увеличивают свою относительную скорость при нагревании. Помимо различий в орбитах, холодная популяция отличается цветом и альбедо – она более красная и яркая, содержит большую долю двойных систем, имеет иное распределение размеров. Масса динамически холодной популяции примерно в 30 раз меньше массы горячей. Предполагается, что холодная популяция сформировалась примерно на текущей орбите, поскольку слабые двойные системы вряд ли пережили бы гравитационные взаимодействия с Нептуном, включая Плутон вместе с его спутниками. В связи с этим члены этой группы известны как плутино. Многие плутино, включая сам Плутон, имеют орбиты, пересекающие орбиту Нептуна, однако их резонанс предотвращает столкновения. Плутино характеризуются высокой орбитальной эксцентричностью, что указывает на то, что они не сформировались на текущих орбитах, а были выброшены на них мигрирующим Нептуном. Руководство МАС предписывает называть все плутино, как и Плутон, именами божеств подземного мира. Их обитателей иногда называют творино. Существуют и другие резонансы, такие как 3:4, 3:5, 4:7 и 2:5. Резкое падение числа объектов, известное как обрыв Койпера, оказалось неожиданным, и его причина до сих пор неизвестна. Бернштейн, Триллинг и др. (2003) обнаружили доказательства того, что быстрое уменьшение числа объектов радиусом 100 км и более за пределами 50 а.е. является реальным, а не связано с наблюдательной ошибкой. Возможные объяснения включают недостаток материала на таком расстоянии для аккреции крупных объектов или последующее удаление или разрушение образовавшихся объектов. Анализ данных о транснептуновых объектах (TNO), доступных до сентября 2023 года, показал, что распределение объектов на внешнем крае классического пояса Койпера напоминает распределение объектов внешнего главного пояса астероидов, с разрывом около 72 а.е., удаленным от любых резонансов среднего движения с Нептуном. Внешний главный пояс астероидов демонстрирует разрыв, вызванный 5:6 резонансом среднего движения с Юпитером на расстоянии 5,875 а.е.

Between the 2:3 and 1:2 resonances with Neptune, at approximately 42–48 AU, the gravitational interactions with Neptune occur over an extended timescale, and objects can exist with their orbits essentially unaltered. This region is known as the classical Kuiper belt, and its members comprise roughly two thirds of KBOs observed to date. Because the first modern KBO discovered (Albion, but long called (15760) 1992 QB1), is considered the prototype of this group, classical KBOs are often referred to as cubewanos ("Q B 1 os"). The guidelines established by the IAU demand that classical KBOs be given names of mythological beings associated with creation. The classical Kuiper belt appears to be a composite of two separate populations. The first, known as the "dynamically cold" population, has orbits much like the planets; nearly circular, with an orbital eccentricity of less than 0.1, and with relatively low inclinations up to about 10° (they lie close to the plane of the Solar System rather than at an angle). The cold population also contains a concentration of objects, referred to as the kernel, with semi major axes at 44–44.5 AU. The second, the "dynamically hot" population, has orbits much more inclined to the ecliptic, by up to 30°. The two populations have been named this way not because of any major difference in temperature, but from analogy to particles in a gas, which increase their relative velocity as they become heated up. Not only are the two populations in different orbits, the cold population also differs in color and albedo, being redder and brighter, has a larger fraction of binary objects, has a different size distribution, The mass of the dynamically cold population is roughly 30 times less than the mass of the hot. The cold population, on the other hand, has been proposed to have formed more or less in its current position because the loose binaries would be unlikely to survive encounters with Neptune. including Pluto together with its moons. In recognition of this, the members of this family are known as plutinos. Many plutinos, including Pluto, have orbits that cross that of Neptune, although their resonance means they can never collide. Plutinos have high orbital eccentricities, suggesting that they are not native to their current positions but were instead thrown haphazardly into their orbits by the migrating Neptune. IAU guidelines dictate that all plutinos must, like Pluto, be named for underworld deities. Its residents are sometimes referred to as twotinos. Other resonances also exist at 3:4, 3:5, 4:7, and 2:5. so this sudden drastic falloff, known as the Kuiper cliff, was unexpected, and to date its cause is unknown. Bernstein, Trilling, et al. (2003) found evidence that the rapid decline in objects of 100 km or more in radius beyond 50 AU is real, and not due to observational bias. Possible explanations include that material at that distance was too scarce or too scattered to accrete into large objects, or that subsequent processes removed or destroyed those that did. An analysis of the TNO data available prior to September 2023 shows that the distribution of objects at the outer rim of the classical Kuiper belt resembles that of the outer main asteroid belt with a gap at about 72 AU, far from any mean motion resonances with Neptune; the outer main asteroid belt exhibits a gap induced by the 5:6 mean motion resonance with Jupiter at 5.875 AU.

Происхождение

Точное происхождение пояса Койпера и его сложная структура до сих пор неясны, и астрономы ожидают завершения нескольких широкопольных обзорных телескопов, таких как Pan STARRS и будущий LSST, которые должны обнаружить многие в настоящее время неизвестные объекты пояса Койпера (KBOs). Считается, что пояс Койпера состоит из планетезималей – фрагментов из первоначального протопланетного диска вокруг Солнца, которые не смогли полностью аккрецировать в планеты и вместо этого сформировались в более мелкие тела, крупнейшие из которых имеют диаметр менее чем [укажите диаметр]. Исследования количества кратеров на Плутоне и Хароне выявили дефицит небольших кратеров, что позволяет предположить, что эти объекты сформировались непосредственно как тела значительного размера, в диапазоне десятков километров в диаметре, а не путем аккреции из гораздо меньших тел размером около километра. Гипотетические механизмы формирования этих крупных тел включают гравитационный коллапс облаков пыли и гальки, сконцентрированных между вихрями в турбулентном протопланетном диске или в потоковых неустойчивостях. Эти коллапсирующие облака могут фрагментироваться, образуя двойные системы. Современные компьютерные симуляции показывают, что на пояс Койпера оказали сильное влияние Юпитер и Нептун, и также предполагают, что ни Уран, ни Нептун не могли сформироваться на своих нынешних орбитах, поскольку в этом диапазоне было недостаточно первичного вещества для образования объектов такой большой массы. Вместо этого считается, что эти планеты сформировались ближе к Юпитеру. Рассеяние планетезималей в ранней истории Солнечной системы привело бы к миграции орбит гигантских планет: Сатурн, Уран и Нептун дрейфовали наружу, в то время как Юпитер дрейфовал внутрь. В конечном итоге орбиты сместились до точки, где Юпитер и Сатурн достигли точного резонанса 2:1 (Юпитер совершает два оборота вокруг Солнца за один оборот Сатурна). Гравитационные последствия этого резонанса в конечном итоге дестабилизировали орбиты Урана и Нептуна, вызвав их рассеяние наружу на орбиты с высокой эксцентриситетом, пересекающие первоначальный планетезимальный диск. Пока орбита Нептуна была сильно эксцентричной, его резонансы среднего движения перекрывались, и орбиты планетезималей эволюционировали хаотично, позволяя планетезималям перемещаться наружу до резонанса 2:1 Нептуна, формируя динамически холодный пояс объектов с низким наклоном. Позже, после уменьшения эксцентриситета, орбита Нептуна расширилась к своему нынешнему положению. Многие планетезимали были захвачены в резонансы во время этой миграции, другие эволюционировали на орбиты с более высоким наклоном и более низким эксцентриситетом и покинули резонансы, перейдя на стабильные орбиты. Еще большее количество планетезималей было рассеяно внутрь, при этом небольшая часть была захвачена в качестве троянцев Юпитера, нерегулярных спутников, вращающихся вокруг гигантских планет, и астероидов внешнего пояса. Остальные были снова рассеяны Юпитером и в большинстве случаев выброшены из Солнечной системы, уменьшив первоначальную популяцию пояса Койпера на 99% или более. Оригинальная версия наиболее популярной модели, "модель Ниццы", воспроизводит многие характеристики пояса Койпера, такие как "холодные" и "горячие" популяции, резонансные объекты и рассеянный диск, но она все еще не может объяснить некоторые особенности их распределения. Модель предсказывает более высокую среднюю эксцентричность на классических орбитах KBO, чем наблюдается (0,10–0,13 против 0,07), и ее предсказанное распределение наклонов содержит слишком мало объектов с высоким наклоном, что заставляет некоторых предположить, что холодный диск сформировался на своем нынешнем месте, представляя собой единственную действительно местную популяцию малых тел в Солнечной системе. Недавняя модификация модели Ниццы предполагает, что Солнечная система начиналась с пяти гигантских планет, включая дополнительного ледяного гиганта, в цепочке резонансов среднего движения. Примерно через 400 миллионов лет после образования Солнечной системы резонансная цепочка была разрушена. Вместо того чтобы рассеяться по диску, ледяные гиганты сначала мигрировали наружу на несколько астрономических единиц. Эта расходящаяся миграция в конечном итоге привела к пересечению резонанса, дестабилизируя орбиты планет. Дополнительный ледяной гигант столкнулся с Сатурном и был рассеян внутрь на орбиту, пересекающую Юпитер, а после серии столкновений был выброшен из Солнечной системы. Оставшиеся планеты продолжили свою миграцию до тех пор, пока планетезимальный диск почти не опустел, при этом небольшая часть осталась в различных местах. Когда Нептун мигрировал к 30 а.е., он столкнулся с дополнительным ледяным гигантом. Объекты, захваченные из холодного пояса в резонанс 2:1 с Нептуном, остались позади в виде локальной концентрации на расстоянии 44 а.е., когда это столкновение вызвало скачок полубольшой оси Нептуна наружу. Объекты, отложенные в холодном поясе, включают некоторые слабо связанные "голубые" двойные системы, происходящие из областей, расположенных ближе, чем нынешнее местоположение холодного пояса. Если эксцентриситет Нептуна остается небольшим во время этого столкновения, хаотичная эволюция орбит, характерная для оригинальной модели Ниццы, будет предотвращена, и первоначальный холодный пояс сохранится. В более поздних фазах миграции Нептуна медленное сметание резонансов среднего движения удаляет объекты с более высоким эксцентриситетом из холодного пояса, усекая его распределение эксцентриситета.

The precise origins of the Kuiper belt and its complex structure are still unclear, and astronomers are awaiting the completion of several wide field survey telescopes such as Pan STARRS and the future LSST, which should reveal many currently unknown KBOs. The Kuiper belt is thought to consist of planetesimals, fragments from the original protoplanetary disc around the Sun that failed to fully coalesce into planets and instead formed into smaller bodies, the largest less than in diameter. Studies of the crater counts on Pluto and Charon revealed a scarcity of small craters suggesting that such objects formed directly as sizeable objects in the range of tens of kilometers in diameter rather than being accreted from much smaller, roughly kilometer scale bodies. Hypothetical mechanisms for the formation of these larger bodies include the gravitational collapse of clouds of pebbles concentrated between eddies in a turbulent protoplanetary disk or in streaming instabilities. These collapsing clouds may fragment, forming binaries. Modern computer simulations show the Kuiper belt to have been strongly influenced by Jupiter and Neptune, and also suggest that neither Uranus nor Neptune could have formed in their present positions, because too little primordial matter existed at that range to produce objects of such high mass. Instead, these planets are estimated to have formed closer to Jupiter. Scattering of planetesimals early in the Solar System's history would have led to migration of the orbits of the giant planets: Saturn, Uranus, and Neptune drifted outwards, whereas Jupiter drifted inwards. Eventually, the orbits shifted to the point where Jupiter and Saturn reached an exact 1:2 resonance; Jupiter orbited the Sun twice for every one Saturn orbit. The gravitational repercussions of such a resonance ultimately destabilized the orbits of Uranus and Neptune, causing them to be scattered outward onto high eccentricity orbits that crossed the primordial planetesimal disc. While Neptune's orbit was highly eccentric, its mean motion resonances overlapped and the orbits of the planetesimals evolved chaotically, allowing planetesimals to wander outward as far as Neptune's 1:2 resonance to form a dynamically cold belt of low inclination objects. Later, after its eccentricity decreased, Neptune's orbit expanded outward toward its current position. Many planetesimals were captured into and remain in resonances during this migration, others evolved onto higher inclination and lower eccentricity orbits and escaped from the resonances onto stable orbits. Many more planetesimals were scattered inward, with small fractions being captured as Jupiter trojans, as irregular satellites orbiting the giant planets, and as outer belt asteroids. The remainder were scattered outward again by Jupiter and in most cases ejected from the Solar System reducing the primordial Kuiper belt population by 99% or more. The original version of the currently most popular model, the "Nice model", reproduces many characteristics of the Kuiper belt such as the "cold" and "hot" populations, resonant objects, and a scattered disc, but it still fails to account for some of the characteristics of their distributions. The model predicts a higher average eccentricity in classical KBO orbits than is observed (0.10–0.13 versus 0.07) and its predicted inclination distribution contains too few high inclination objects. leading some to propose that the cold disc formed at its current location, representing the only truly local population of small bodies in the solar system. A recent modification of the Nice model has the Solar System begin with five giant planets, including an additional ice giant, in a chain of mean motion resonances. About 400 million years after the formation of the Solar System the resonance chain is broken. Instead of being scattered into the disc, the ice giants first migrate outward several AU. This divergent migration eventually leads to a resonance crossing, destabilizing the orbits of the planets. The extra ice giant encounters Saturn and is scattered inward onto a Jupiter crossing orbit and after a series of encounters is ejected from the Solar System. The remaining planets then continue their migration until the planetesimal disc is nearly depleted with small fractions remaining in various locations. When Neptune migrates to 28 AU, it has a gravitational encounter with the extra ice giant. Objects captured from the cold belt into the 1:2 mean motion resonance with Neptune are left behind as a local concentration at 44 AU when this encounter causes Neptune's semi major axis to jump outward. The objects deposited in the cold belt include some loosely bound 'blue' binaries originating from closer than the cold belt's current location. If Neptune's eccentricity remains small during this encounter, the chaotic evolution of orbits of the original Nice model is avoided and a primordial cold belt is preserved. In the later phases of Neptune's migration, a slow sweeping of mean motion resonances removes the higher eccentricity objects from the cold belt, truncating its eccentricity distribution.

Спутники

Известно, что шесть крупнейших ТНО (Эрида, Плутон, Гонггонг, Макамаке, Хаумеа и Кваоар) имеют спутники, и у двух из них более одного. Более высокий процент крупных KBO обладает спутниками, чем у меньших объектов в поясе Койпера, что указывает на иной механизм их формирования. В поясе Койпера также наблюдается большое количество двойных систем (два объекта, достаточно близких по массе, чтобы обращаться вокруг общего центра масс). Наиболее известный пример – двойная система Плутон-Харон, однако, по оценкам, около 11% KBOs входят в состав двойных систем.

Разведка

19 января 2006 года был запущен первый космический аппарат для исследования пояса Койпера, New Horizons, который пролетел мимо Плутона 14 июля 2015 года. Помимо пролета Плутона, целью миссии было обнаружение и исследование других, более удаленных объектов в поясе Койпера. 15 октября 2014 года было объявлено, что космический телескоп Хаббл обнаружил три потенциальные цели, временно обозначенные PT1 («потенциальная цель 1»), PT2 и PT3 командой New Horizons. Диаметры объектов оценивались в диапазоне 30–55 км; они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть в наземные телескопы, находясь на расстоянии 43–44 а.е. от Солнца, что предполагало бы встречи в период 2018–2019 годов. Первоначальные оценки вероятности достижения этих объектов в рамках топливного бюджета New Horizons составляли 100%, 7% и 97% соответственно. Наиболее благоприятно расположенный объект имел звездную величину 26,8, диаметр 30–45 км и был исследован в январе 2019 года. После получения достаточной информации об орбите, Центр малых планет присвоил официальные обозначения трем целевым КБО: 2014 MU (PT1), 2014 OS (PT2) и 2014 PN (PT3). К осени 2014 года возможная четвертая цель, 2014 MT, была исключена по результатам последующих наблюдений. PT2 был исключен из рассмотрения до пролета Плутона. 26 августа 2015 года была выбрана первая цель (прозванная «Ultima Thule», а позже получившая название 486958 Arrokoth). Корректировка курса была проведена в конце октября и начале ноября 2015 года, что привело к пролету в январе 2019 года. 1 июля 2016 года NASA одобрило дополнительное финансирование для New Horizons с целью посещения этого объекта. 2 декабря 2015 года New Horizons обнаружил объект, тогда известный как 1994 JR (позже названный 15810 Arawn), находясь на значительном расстоянии. 1 января 2019 года New Horizons успешно пролетел мимо Аррокота, передав данные, показавшие, что Аррокот является контактным двойным телом размером 32 км в длину и 16 км в ширину. Прибор Ralph на борту New Horizons подтвердил красный цвет Аррокота. Данные, полученные в ходе пролета, будут загружаться в течение следующих 20 месяцев. Дальнейшие миссии для New Horizons не планируются, хотя было изучено как минимум два концепта миссий, которые вернутся на орбиту или совершат посадку на Плутон. За пределами Плутона существует множество крупных КБО, которые невозможно посетить с помощью New Horizons, таких как карликовые планеты Макемаке и Хаумеа. Новые миссии будут предназначены для детального изучения этих объектов. Thales Alenia Space изучила логистику миссии орбитального аппарата к Хаумее, которая является приоритетной научной целью из-за ее статуса родительского тела столкновительного семейства, включающего несколько других ТНО, а также наличия кольца Хаумеа и двух спутников. Ведущий автор, Жоэль Понси, выступает за разработку новых технологий, которые позволят космическим аппаратам достигать и выходить на орбиту вокруг КБО за 10–20 лет или меньше. Главный исследователь New Horizons Алан Стерн неофициально предложил миссии, которые будут пролетать мимо планет Уран или Нептун перед посещением новых целей в поясе Койпера, тем самым расширяя исследование пояса Койпера и одновременно впервые с 1980-х годов посещая эти ледяные гиганты.

On 19 January 2006, the first spacecraft to explore the Kuiper belt, New Horizons, was launched, which flew by Pluto on 14 July 2015. Beyond the Pluto flyby, the mission's goal was to locate and investigate other, farther objects in the Kuiper belt. On 15 October 2014, it was revealed that Hubble had uncovered three potential targets, provisionally designated PT1 ("potential target 1"), PT2 and PT3 by the New Horizons team. The objects' diameters were estimated to be in the 30–55 km range; too small to be seen by ground telescopes, at distances from the Sun of 43–44 AU, which would put the encounters in the 2018–2019 period. The initial estimated probabilities that these objects were reachable within New Horizons fuel budget were 100%, 7%, and 97%, respectively. ), the most favorably situated object, was magnitude 26.8, 30–45 km in diameter, and was encountered in January 2019. Once sufficient orbital information was provided, the Minor Planet Center gave official designations to the three target KBOs: 2014 MU (PT1), 2014 OS (PT2), and 2014 PN (PT3). By the fall of 2014, a possible fourth target, 2014 MT, had been eliminated by follow up observations. PT2 was out of the running before the Pluto flyby. On 26 August 2015, the first target, (nicknamed "Ultima Thule" and later named 486958 Arrokoth), was chosen. Course adjustment took place in late October and early November 2015, leading to a flyby in January 2019. On 1 July 2016, NASA approved additional funding for New Horizons to visit the object. On 2 December 2015, New Horizons detected what was then called 1994 JR (later named 15810 Arawn) from away. On 1 January 2019, New Horizons successfully flew by Arrokoth, returning data showing Arrokoth to be a contact binary 32 km long by 16 km wide. The Ralph instrument aboard New Horizons confirmed Arrokoth's red color. Data from the fly by will continue to be downloaded over the next 20 months. No follow up missions for New Horizons are planned, though at least two concepts for missions that would return to orbit or land on Pluto have been studied. Beyond Pluto, there exist many large KBOs that cannot be visited with New Horizons, such as the dwarf planets Makemake and Haumea. New missions would be tasked to explore and study these objects in detail. Thales Alenia Space has studied the logistics of an orbiter mission to Haumea, a high priority scientific target due to its status as the parent body of a collisional family that includes several other TNOs, as well as Haumea's ring and two moons. The lead author, Joel Poncy, has advocated for new technology that would allow spacecraft to reach and orbit KBOs in 10–20 years or less. New Horizons Principal Investigator Alan Stern has informally suggested missions that would flyby the planets Uranus or Neptune before visiting new KBO targets, thus furthering the exploration of the Kuiper belt while also visiting these ice giant planets for the first time since the Voyager 2 flybys in the 1980s.

Проектирование и концептуальные миссии

Кваоар рассматривается как объект для облета зондом, предназначенным для исследования межзвездной среды, поскольку в настоящее время он находится вблизи гелиосферного носа. Понтус Брандт из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса и его коллеги изучили возможность отправки зонда, который пролетит мимо Кваоара в 2030-х годах, а затем продолжит путь в межзвездную среду через гелиосферный нос. Среди научных интересов, связанных с Кваоаром, – вероятное исчезновение его метановой атмосферы и криовулканизм. Например, авторы рассчитали, что орбитальный аппарат может достичь Иксиона после 17 лет полета, если его запустят в 2039 году.

Экстрасолярные пояса Койпера

К 2006 году астрономы смогли различить пылевые диски, которые предположительно являются структурами, подобными поясу Койпера, вокруг девяти звёзд, помимо Солнца. Они, по всей видимости, относятся к двум категориям: широкие пояса с радиусами более 50 а. е. и узкие пояса (предварительно напоминающие пояс Солнечной системы) с радиусами от 20 до 30 а. е. и относительно резкими границами. Большинство известных дисков обломков вокруг других звёзд достаточно молоды, однако два изображения справа, полученные космическим телескопом Хаббл в январе 2006 года, достаточно стары (около 300 миллионов лет), чтобы достичь стабильной конфигурации. Левое изображение представляет собой "вид сверху" на широкий пояс, а правое изображение – "вид с ребра" на узкий пояс. Компьютерное моделирование пыли в поясе Койпера предполагает, что в юном возрасте он мог быть похож на узкие кольца, наблюдаемые вокруг молодых звёзд.