Kuiper kuşağı

Kuiper kuşağı, Neptün'ün yörüngesinden (Güneş'ten 30 AB) başlayıp yaklaşık 50 AB'ye kadar uzanan, buzlu küçük cisimlerden oluşan geniş bir bölgedir. Asteroit kuşağına benzetilir, ama ondan çok daha büyük ve çok daha kütlelidir — ve içindeki cisimler kayadan değil, ağırlıklı olarak buzdan yapılmıştır.

"Kuşak" sözcüğü biçimi tam anlatmaz. Bölgedeki cisimlerin ana yoğunluğu ekliptik düzleminin on derece kadar dışına taşar; yapı ince bir halkadan çok simite (torus) benzer. Ortalama olarak ekliptiğe 1,86° eğiktir.

Plüton, Haumea ve Makemake bu bölgenin üyesidir. 2018'e kadar iki binden fazla Kuiper kuşağı cismi (KBO) bulunmuştu; çapı 100 kilometreyi aşan cisim sayısının yüz binden fazla olduğu tahmin ediliyor. Buna karşın bölgenin toplam kütlesi yalnızca (1,97±0,30)×10⁻² Dünya kütlesi, yani Dünya'nın yüzde ikisi kadardır.

Keşif tarihi ve adın hikâyesi

Neptün'ün ötesinde bir cisim topluluğu bulunduğu fikri, ilk cisim bulunmadan onlarca yıl önce ortaya atıldı.

İrlandalı gökbilimci Kenneth Edgeworth 1943'te, Güneş bulutsusunun dış bölgesindeki malzemenin gezegen oluşturmak için fazla seyrek olduğunu, bunun yerine "çok sayıda görece küçük cisim" oluşacağını öne sürdü. Gerard Kuiper 1951'de benzer bir disk üzerine düşündü ve 38-50 astronomi birimi arasındaki cisimlerin buzdan oluşup kuyruklu yıldızların kaynağı olabileceğini belirtti.

Bölgenin bugünkü adını almasında ilginç bir rastlantı var: Scott Tremaine'in bölgeye "Kuiper kuşağı" demesinin nedeni, Julio Ángel Fernández'in 1980 tarihli makalesinin ilk paragrafında hem "Kuiper" hem "comet belt" (kuyruklu yıldız kuşağı) sözcüklerinin geçmesiydi. Kimi gökbilimciler kuşağın varlığını en doğru biçimde öngören kişinin Fernández olduğunu, Edgeworth'un hakkının da anılması gerektiğini savunur; bu yüzden literatürde Edgeworth-Kuiper kuşağı adı ve EKO kısaltması da kullanılır.

Kuramın doğrulanması 1992'de geldi. David C. Jewitt ve Jane Luu, 30 Ağustos 1992'de 1992 QB1 (sonradan 15760 Albion adını aldı) cismini duyurdular. Bu, 1930'daki Plüton ve 1978'deki Charon'dan sonra bulunan ilk Kuiper kuşağı cismiydi. Keşif beş yıllık, sabırlı bir aramanın ürünüydü ve bir çığ başlattı: sonraki on yıl içinde yüzlerce cisim kataloglandı, Plüton'un tek olmadığı anlaşıldı ve 2006'daki gezegen tanımı tartışması buradan doğdu. Ayrıntısı Cüce gezegenler sayfasındadır.

Bileşim

Kuiper kuşağı cisimlerinin çoğu donmuş uçuculardan — astronomide kısaca "buzlar" denen metan, amonyak ve su bileşiklerinden — oluşur. Bölgenin ortalama sıcaklığı yalnızca 50 K (−223 °C) olduğu için bu maddeler katı kalır. Gözlemlerde su buzu, metan, azot ve karbon monoksit saptanmıştır.

Spektrum ölçümleri KBO'ların renklerinde geniş bir yelpaze gösterir: nötr griden koyu kırmızıya kadar. Bu çeşitlilik yüzey bileşimlerinin farklı olduğunu söyler. Kırmızılık genellikle tolin birikimine bağlanır — morötesi ışığın metan ve azot gibi basit moleküllerden ürettiği karmaşık organik bileşikler. Renk dağılımının yörünge tipiyle ilişkili olması, cisimlerin farklı bölgelerde oluşup sonra karıştığına işaret eder.

Dinamik sınıflar

Kuiper kuşağı tek parça değil; yörünge davranışlarına göre ayrı topluluklar barındırır.

Klasik kuşak (cubewano'lar). Neptün'le 2:3 ve 1:2 rezonansları arasında, yaklaşık 42-48 AB arasında dolanan cisimler. Bugüne kadar gözlenen KBO'ların kabaca üçte ikisi buradadır. Adları ilk örnek olan 1992 QB1'den gelir ("QB1-ler" → cubewano). İki alt popülasyon vardır: dinamik olarak soğuk popülasyon neredeyse dairesel yörüngelerde (basıklık 0,1'den küçük) ve 10 dereceye kadar eğikliklerde dolanır; dinamik olarak sıcak popülasyonun eğikliği 30 dereceye kadar çıkar. Bu iki grubun bir arada bulunması, bölgenin geçmişinde bir karışma olayı yaşandığını gösterir.

Rezonanslı cisimler. Yörünge süreleri Neptün'ün süresinin tam bir kesri olan cisimler. En kalabalık grup plütinolardır: Neptün'le 2:3 rezonansta, yaklaşık 39,5 AB'de dolanırlar; Plüton ve uyduları dahil yaklaşık iki yüz üyesi bilinir. IAU kuralına göre bu cisimlere yeraltı tanrılarının adları verilir. 1:2 rezonansında (yaklaşık 47,7 AB) bulunanlara twotino denir; bu bölge seyrektir. 3:4, 3:5, 4:7 ve 2:5 rezonanslarında da cisimler vardır. Neptün'ün ayrıca kendi Truva cisimleri vardır.

Saçılmış disk. Kuiper kuşağıyla örtüşüp 100 AB'nin ötesine uzanan bölge. Buradaki cisimlerin yörüngeleri çok basık ve genellikle çok eğiktir. Eris bu gruba aittir. Saçılmış diskin, Güneş Sistemi'nin kısa dönemli kuyruklu yıldızlarının asıl kaynağı olduğu düşünülür — Kuiper kuşağının kendisi dinamik olarak kararlı olduğundan kuyruklu yıldız salamaz. Ayrık cisimler ise Neptün'ün etkisinden tümüyle kopmuş, çok uzak günberili cisimlerdir.

Kuiper yarı

50 AB'nin ötesinde bilinen cisim sayısı beklenmedik biçimde düşer. Bu ani azalmaya Kuiper yarı (Kuiper cliff) denir. 47,8 AB'deki 1:2 rezonansı, ötesinde çok az cisim bilinen bir sınır gibi davranır.

Bu düşüşün nedeni bilinmiyor. Olasılıklar arasında şunlar var: malzemenin oralarda gerçekten tükenmiş olması; bir zamanlar geçen bir yıldızın bölgeyi süpürmüş olması; ya da henüz bulunmamış büyük bir cismin kütleçekimsel etkisi. Gözlem yanlılığı da tartışılıyor, çünkü 50 AB'nin ötesindeki cisimler çok soluktur ve bulunmaları güçtür. Vera C. Rubin Gözlemevi'nin taramasının bu soruya ışık tutması bekleniyor.

Nice modeli ve gezegen göçü

Kuiper kuşağının bugünkü yapısı, oluştuğu hâli yansıtmıyor. Benzetimler, bölgenin Jüpiter ve özellikle Neptün tarafından güçlü biçimde biçimlendirildiğini gösteriyor.

Nice modeli şunu öne sürer: Uranüs ve Neptün bugün bulundukları yerden çok daha içeride, Jüpiter'e yakın oluştu ve sonradan dışa doğru göç etti. Neptün dışa doğru ilerlerken önündeki cisimlerin yörüngelerini kararsızlaştırdı; bir bölümünü iç Güneş Sistemi'ne, bir bölümünü çok uzağa savurdu, bir bölümünü de rezonanslara yakaladı. Plütinoların varlığı — Plüton'un Neptün'le 3:2 kilitli olması — bu göçün doğrudan kanıtı sayılır. Model, aynı zamanda klasik kuşaktaki soğuk ve sıcak popülasyonların bir arada bulunmasını da açıklar: sıcak popülasyon başka yerden gelip oraya savrulmuştur.

Modelin yakın tarihli bir değişkesi, Güneş Sistemi'nin başlangıçta beş dev gezegene sahip olduğunu, fazladan bir buz devinin sonradan sistemden atıldığını öne sürer.

Haumea ailesi ve çarpışmalar

Kuiper kuşağında bilinen tek çarpışma ailesi Haumea ailesidir. En az bir milyar yıl önce büyük bir çarpışma Haumea'nın buzlu dış katmanını kopardı; bugün benzer yörüngelerde ve belirgin su buzu spektrumuyla dolaşan onlarca cisim — örneğin 1996 TO66 — bu olayın artığıdır. Haumea'nın baş döndürücü dönme hızı da aynı çarpışmaya bağlanır. Ayrıntısı Haumea ve Makemake sayfasındadır.

En büyük üyeler

Kuiper kuşağının bilinen en büyük cismi Plüton'dur (çap 2.370 km dolayında). Onu Haumea ve Makemake izler; ikisinin de Quaoar'dan büyük olduğu 29 Temmuz 2005'te duyuruldu. Quaoar 1.200 kilometreyi aşan bir klasik kuşak cismidir ve 2002'de bulundu. 28978 Ixion ile 20000 Varuna 600-700 km dolayındadır.

New Horizons ve Arrokoth

Kuiper kuşağına giden tek uzay aracı New Horizons'tır. 14 Temmuz 2015'te Plüton sistemini geçtikten sonra yolculuğuna devam etti ve 1 Ocak 2019'da 486958 Arrokoth'un (eski geçici adı 2014 MU69) yanından geçti.

Arrokoth, uzaktan incelenmiş en ilkel cisimdir. Yaklaşık 33 kilometre uzunluğunda bir temas ikilisidir: birbirine değen ya da neredeyse değen iki yuvarlakça lobdan oluşur. Yüzeyi büyük olasılıkla organik bileşiklerle kaplıdır ve kırmızımsı görünür.

Bu biçim bir model sınavıydı. Gezegenimsilerin nasıl büyüdüğü konusunda iki görüş vardı: şiddetli çarpışmalarla mı, yoksa yavaş ve yumuşak birleşmelerle mi? Arrokoth'un iki lobunun ezilmemiş, düzgün ve aynı bileşimde olması, yumuşak birleşme modelini destekledi. İki cisim, saatte birkaç kilometre gibi çok düşük bir hızla birbirine yapışmış görünüyor. Aynı sonuç Rosetta'nın 67P'de bulduğuyla örtüşür.

Arrokoth, Plüton ve uyduları dışında bir uzay aracının ziyaret ettiği tek Kuiper kuşağı cismidir.

Kısaca

• Kuiper kuşağı Neptün'ün yörüngesinden (30 AB) yaklaşık 50 AB'ye kadar uzanan, buzlu cisimlerden oluşan bölgedir; biçimi halkadan çok simide benzer.
• Toplam kütlesi Dünya kütlesinin yaklaşık yüzde ikisidir; çapı 100 km'yi aşan yüz binden fazla cisim barındırdığı tahmin edilir.
• Kenneth Edgeworth (1943) ve Gerard Kuiper (1951) bölgeyi öngördü; ilk cismi (1992 QB1) 30 Ağustos 1992'de Jewitt ve Luu buldu.
• Dinamik sınıflar: klasik kuşak (cubewano'lar, KBO'ların ~2/3'ü), rezonanslı cisimler (plütinolar 2:3, twotinolar 1:2), saçılmış disk ve ayrık cisimler.
• Kısa dönemli kuyruklu yıldızların asıl kaynağı Kuiper kuşağı değil, saçılmış disktir.
• 50 AB'nin ötesinde cisim sayısı ani düşer ("Kuiper yarı"); nedeni bilinmiyor.
• Nice modeli, bölgenin bugünkü yapısını Neptün'ün dışa doğru göçüyle açıklar; plütinolar bu göçün kanıtı sayılır.
• New Horizons 1 Ocak 2019'da, yaklaşık 33 km uzunluğundaki temas ikilisi Arrokoth'un yanından geçti.

Kaynaklar: Wikipedia — Kuiper belt, Wikipedia — Dwarf planet, Wikipedia — Oort cloud