el Disco Difuso

Más allá del
cinturón de Kuiper
Miriam Cortés Contreras
Ignacio Andrés Minaya Flores
Acumulación de cometas
Origen en el disco de acreción durante el proceso de
formación
●
Son cuerpos dispersados por planetas gigantes
●
Se acumulan en distintas regiones dependiendo de sus
características orbitales: Cuerpos cercanos a los
planetas son dispersados hacia regiones más externas
mientras que los cuerpos más alejados permanecen en
las regiones intermedias.
●
Acumulación de cometas
Los cuerpos que son dispersados hacia la región externa
se acumulan en una nube hipotizada (nube de Oort) que
se encuentra en el límite del Sistema Solar.
Los que son dispersados hacia la región transneptuniana
constituyen del Cinturón de Kuiper y el disco disperso.
Población transneptuniana
Formada por los objetos del disco protoplanetario que son
dispersados durante el periodo de formación.
Se clasifica en dos subpoblaciones según la dinámica de
los objetos:
Cinturón de Kuiper
●
Disco Disperso
●
Cinturón de Kuiper
Sugerido en 1943 por
Kenneth Edgeworth y
Gerard Kuiper
●
Comienza tras la órbita
de Neptuno, 30 - 55 UA
●
Principalmente pequeños
cuerpos de hielo y roca
remanentes de la
formación del Sistema
Solar
●
Más de 1300 objetos
identificados
●
Planetas enanos: Plutón,
Eris, Haumea, Makemake
●
Disco disperso
●
Se extiende desde 55 UA hasta 5000 UA
Vida media dinámica de los cuerpos que lo forman:
50Myr.
●
Solo alrededor del 1% sobrevive en órbitas
transneptunianas en la edad del Sistema Solar.
●
Disco disperso: origen
Dudas sobre su origen:
●
Cuerpos que escaparon del cinturón de Kuiper:
●
Orbitan con perihelios menores de 35 UA y por
inestabilidades asociadas a Neptuno son dispersadas
SALVO los que están en movimientos resonantes con el
planeta.
Remanente de una estructura primordial 100 veces
más masiva
●
Disco disperso
Poblaciones del Cinturón de Kuiper y disco disperso son
más o menos iguales: el disco disperso no estaría
sustentado por el cinturón de Kuiper
→ Disco disperso como remanente
Disco disperso: cometas
Se cree que los objetos del disco disperso dominan la
producción de los cometas de la familia de Júpiter frente
al Cinturón de Kuiper.
En este caso, el cometa pasa de la dinámica de Neptuno
a la dinámica de Júpiter y su tiempo de vida dinámica es
de 105 yr.
P/Encke: único cometa activo con órbita interior a la de
Júpiter, la distancia al afelio es de 4.1UA (Júpiter: 5.2UA)
→ los encuentros con Júpiter no son responsables de su
posición actual
✗
Disco disperso: objetos
Se clasifican los objetos del disco en tres clases:
dispersos, aisaldos y resonantes.
Disco disperso: objetos
* Objetosos dispersos: 30 < q < 40 UA, a > 50 UA

Su evolución dinámica está influenciada por
movimientos resonantes que los protegen contra
encuentros cercanos con el planeta resonante
Disco disperso: objetos
* Objetos aislados: q > 40 UA a > 50 UA
No han tenido encuentros con Neptuno → débilmente
acoplados al sistema planetario
Sus tamaños de 200-300 km indican que se formaron
mucho más cerca del Sol, donde la escala de tiempo de
acreción era suficientemente corta. Esto implica que han
debido ser transportados hasta sus posiciones actuales.
Estos objetos pertenecen al disco disperso extendido.
Disco disperso: objetos
El scattering de estos objetos hacia el disco disperso
puede deberse a distintos mecanismos:
Caos difusivo:
- Simulaciones numéricas
- Las órbitas de algunos objetos del cinturón de Kuiper
cruzan la órbita de Neptuno en movimientos
resonantes
- Dinámica resonante caótica: 'a' permanece estable,
'e' se modifica lentamente
- Resonancias débiles: por encima de un valor crítico
son dispersados hacia el disco disperso
➢
Disco disperso: objetos
Embriones primordiales:
- Existencia de embriones de m≈10MT dispersados
por Neptuno que transitan el cinturón de Kuiper
causando excitaciones dinámicas
- Encuentros cercanos con los embriones perturbar el
cinturón hacia distancias de perihelio de 50-100 UA
➢
Disco disperso fosilizado:
- Existencia de un embrión masivo (¿Neptuno?) que
causa una perturbación dinámica extensa en poco
tiempo
- Objetos transneptunianos con perihelios>40 UA se
fosilizaron
- Estos fósiles no han evolucionado o lo han hecho
muy lentamente
➢
Disco disperso: objetos
Objeto de escala planetaria en el Cinturón de Kuiper
lejano aún presente:
➢
➢
- Interacción gravitacional que excitaría la distribución
orbital del cinturón en el rango de distancias que cubriera
su órbita
Disco disperso: objetos
* Objetos resonantes:
Aproximadamente 1/3 están en resonancia con Neptuno.
Evolución temporal determinada por fenómenos de
resonancia (resonance sticking) muy comunes.
Simulaciones numéricas: 22000 partículas en órbitas con
Neptuno teniendo en cuenta perturbaciones de planetas
gigantes y colisiones con los mismos:
- Evolución dinámica caótica en si misma
- Partículas dispersadas capturadas en 88 resonancias
diferentes
Disco disperso: el papel de las resonancias
Las resonancias podrían mandar a los objetos a la región
aislada.
Estas capturas ocurren principalmente para objetos con
a<250 UA:
En función del argumento s
Disco disperso: el papel de las resonancias
Tiempo de vida atrapados en resonancias:
34%, q<35 UA
37%, 35<q<40 UA
55%, q>40 UA
Resonancias con menores
valores de s son más
intensas y las que mayor
tiempo retienen al objeto:
r:1, r:2, r:3
Dominan la región
a<250 UA y tienen mayor
probabilidad de captura.
Disco disperso: el papel de las resonancias
También se observa que al aumentar el perihelio (el
semieje mayor) aumenta el tiempo que permanecen en
una resonancia:
Disco disperso: estados finales
Tras los procesos de captura y dispersión puede ocurrir
que los objetos del disco disperso:
Sean transportados hacia el Sistema Solar interno y
después eyectados del sistema
●
●
Colisionen con un planeta
●
Ser transportados hacia la nube de Oort
Nube de Oort: descubrimiento
Se pensaba que los cometas venían del espacio
interestelar atraídos por perturbaciones gravitatoras.
- 1932, E. Öpik: cometas originados en una nube lejana
- 1943, K. Edgeworth: reserva de cometas tras los
planetas
- 1950, J. Oort: cometas formados fuera de su posición
actual, y trasladados a una nube que envuelve el
sistema solar
Nube de Oort: Hipótesis
Oort estimó:
Entre 5.000 y 150.000 AU del Sol
10¹¹ cometas de tamaño observable
Masa del orden de 1/10 ó 1/100 veces la terrestre
Forma esférica (los cometas isótropos venían de
todas direcciones)
Origen de cometas de largo periodo (LPCs, cometas
con periodo > 200 años)
Contradicción! número de cometas menor que el
predicho → evaporación de compuestos volátiles?
destrucción de cometas por impactos? por fuerzas de
marea?
Escala de distancias
Nube de Oort: origen
Mayoría de estrellas formadas en cúmulos: nuestro
sistema solar se formó en un cúmulo abierto.
Origen: disco protoplanetario formado alrededor del Sol,
al igual que los planetas.
Los objetos situados cerca de Júpiter y Saturno fueron
eyectados gravitacionalmente; si su perihelio superaba la
región planetaria no volverían a sufrir scattering →
forman la nube de Oort (masa máxima tras 800 Myrs)
Nube de Oort: evolución
Nube de Oort: simulaciones
Simulaciones del escenario original mejoradas con los
años: encuentos con planetesimales, planetas gigantes,
estrellas cercanas, efectos de marea...
Modelos computacionales de Monte Carlo: mayor
importancia de colisiones en sus origenes que la
estimada → masa de la nube mucho menor que lo
pensado! (50-100 masas terrestres expulsadas a la
nube)
Nube de Oort: simulaciones
1987 (Duncan et al.)
Límite interior de 3000 AU
Ley de potencias: r -3.5 → 5 veces más cometas en la
nube interior (a < 20.000 AU) que en la nube exterior
Lluvia de cometas generadas por paso de estrella
cercana cada 100 Myrs; 20 veces mayor como máximo.
Shoemaker & Wolfe:
Nube más masiva: 85% cometas con a < 10.000 AU
70% cometas con a < 5.000 AU
(en Duncan era de 70% y 50%)
Nube de Oort: simulaciones
Nube de Oort: simulaciones
1996 (Weissman):
10¹² cometas en la nube externa, 5 veces más en
interna, con 38 masas terrestres.
40% cometas originales eyectados: perdidos.
2006, modelo Plummer:
2,18% de muestra inicial de cometas acaban en la
nube de Oort tras 1,3 Myrs.
10% de cometas de la nube interna acaban en la
externa tras 4,5 Gyrs.
Masa nube interna: 10 masas terrestres
Nube de Oort: simulaciones
2008 (N. Kaib, T. Quinn):
19 simulaciones distintas de formación de nube.
Nube interna cargada con el Sol en el cúmulo.
Las propiedades de la nube interna cambian según el
modelo, pero las de la externa son similares.
Julio Ángel Fernández
50% de objetos dispersados: nube de Oort
25% atrapados por Júpiter
25% expulsado en órbitas parabólicas.
Tras 2,5 Gyr, 33% de objetos del disco disperso
acabarán en la nube de Oort
Nube de Oort: simulaciones
Más recientes (2010):
Masa < 1 Masa Tierra (0,14 M, con error de 0,10)
Relación: a³ P = cte
Semieje mayor mínimo para la nube << 10⁴ AU
Por encima de 10⁴ AU ,muchos cometas son barridos o
eliminados por estrellas cercanas (la mayor parte de los
provenientes de Júpiter – Saturno van ahí)
Nube de Oort: importancia
Los objetos de la nube poseen historia dinámica del Sol,
de la influencia estelar y de efectos de marea en el
cúmulo original.
Hubble Space Telescope, Infrared Space Observatory...
buscan pruebas de existencia de nubes alrededor de
otras estrellas → prueba de existencia de planetas.
Nube de Oort: estructura
Nube de Oort: 5.000 – 100.000 AU
10¹² cometas de más de 1,3 km.
Masa desconocida (0,14 – 5 M Tierra)
Perturbación de objetos de la nube → cambio perihelio;
si se sitúa en región planetaria, su evolución está
relacionada con el semieje mayor “a”.
- Si a < 20.000 AU, migración lenta → acabarán
encontrandose con Júpiter/Saturno → serán eyectados.
- Si a > 20.000 AU, evolución más rápida → antes de
ser eyectados por gigantes pueden pasar a región
planetaria terrestre → cometas de largo periodo (LPCs)
Nube de Oort: estructura
Nube exterior: a > 20.000 AU
- Forma esférica (no es perfecta por marea galáctica)
- Poco ligada gravitacionalmente (fín gravitación solar)
Nube interior (o Nube de Hills): a < 20.000 AU
- Forma toroidal
- Más ligada gravitacionalmente
- Más jóven que la nube exterior?
Nube de Hills
Hills (1981) propuso la idea de la nube interna.
Contiene 5 veces más cometas que la nube externa (sus
objetos eyectados pueden acabar en la región exterior,
sustituyendo los que se alejan del sistema solar o se
adentran en él).
Hipotéticamente más pequeña pero más masiva que la
región exterior.
Posible origen: formación en orígen sistema solar por
“encuentro” entre sol y otra estrella cercana → más jóven
que la región exterior.
Población de objetos
Nube de Oort: objetos
(composición)
Gran mayoría formados por hielos, monóxido de
carbono, metano, etano y ácido cianhídrico.
H.E. Levison → También existen rocosos (2% – 3%).
Análisis de isótopos de C y N no muestran apenas
diferencias entre cometas de nube de Oort y de Júpiter
→ confirmación de origen común.
Nube de Oort: objetos (evidencias)
Se requiere detectar LPCs fuera de la barrera
gravitacional de Júpiter y Saturno (q > 15 AU).
No hay ninguno confirmado, pero sí hubo candidatos:
- Sedna (detached object?)
- 2000 CR105 (detached object?)
- 2000 OO67 (detached object?)
- 2008 KV42 (detached object?)
La excentricidad de sus órbitas tiene como explicación
más probable la de su origen: interacción con una
estrella cercana en el cúmulo primario.
Nube de Oort: 2006 SQ372
Descubierto en Sept. 2006 con imagenes de SDSS-II,
junto con otros 49 objetos trans-Neptunianos.
Actualmente el más probable es 2006 SQ372
Órbita inestable
q = 24,2 AU, a = 796 AU,, i = 19,46471º, e = 0,9696
Magnitud aparente = 21,59, periodo orbital = 22466 años
Rango superior de semieje: en disco difuso
Rango inferior de semieje: en nube de Oort
Puede ser de ambas regiones, pero estudios demuestran
que es 16 veces más probable que pertenezca a la nube
→ cometa de largo periodo más lejano descubierto!
Nube de Oort: 2006 SQ372
Cualquier combinación de parámetros nos da mayor
probabilidad para la nube de Oort (desde 2,2 hasta 1.000
veces más probable)
Aunque se demuestre que pertenece a ella, necesitamos
una muestra superior de objetos para conocer más sobre
su estructura → muestra futura disponible?
Nube de Oort: deformaciones
Fuerzas de marea dominan a altas distancias
Perturbaciones en la nube → cambio perihelio de
objetos: vuelven a entrar en región planetaria → origen
de los cometas observados (cuando van al Sol).
90% de cometas expulsados lo hacen por mareas.
Nube de Oort: otras estrellas
Otras estrellas pueden tener nubes de Oort
→ posible “colisión” (1AU de espacio, habría pocas
colisiones) de nubes con estrella cercana.
→ posibles cometas eyectados al espacio interestelar
que podrían llegar al sistema solar (fácilmente
identificables por su alta velocidad pero inexistentes aún)
Ciclos de extinción
Deformación de la nube de Oort: origen probable de
extinciones periódicas
- Paso del Sol por el plano galáctico cada 20-25 Myr.
- Discos mareales
- Paso por brazos espirales: hipótesis Shiva
(nubes moleculares, supernovas...)
- Paso de vecina solar por la nube: hipótesis Némesis
En un futuro puede haber otras interacciones con la
nube: paso cercano de estrellas:
- Gliese 710 en 1,4 Myr → 50% más de cometas
Ciclos de extinción (Sepkoski)
Gráfica de extinciones masivas mediante fósiles
marinos. Se observa perioricidad: 26 Myr.
Estrellas cercanas
Hipótesis Némesis
R. A. Muller y M. Davis, 1984.
Sol: estrella doble; enana roja alejada (2,5 años luz) que
deforma la nube cíclicamente → impactos de cometas.
Contradicción: órbita inestable! → modificación de órbita:
cometas lanzados de la nube de Oort → nube a menos
distancia que lo estimado! Lluvias más intensas!
Aún así... búsqueda de la “estrella de la muerte”
Variaciones hipótesis Némesis
D. Whitmire y J.J. Matese, 1985.
Vecino: agujero negro poco masivo, periodo: 1.000 años
Perturbaciones mutuas entre planetas gigantes y Planeta
X → perturbación de la nube cada 26 Myr.
Hipótesis descartada en 1989 mediante Voyageur 2:
perturbaciones sobre planetas eran errores de cálculo.
J.J. Matese, 2002:
Vecino: planeta gigante muy distante.
Problema: órbita muy lejana → órbita inestable →
expulsada por pertubaciones de otras estrellas.
Variaciones hipótesis Némesis
J.J. Matesse, P. Whitmire, 2010 (database aumentada)
Vecino: cuerpo de masa Joviana (Tyche, 1 – 4 M Júpiter)
en la región más interna de la nube de Oort.
Origen idea: 20% de cometas de nube externa con
anomalía en su orientación hacia un arco bien definido
debido al débil impulso del cuerpo Joviano.
Posible origen de cinturón de Kuiper y Sedna, pero no de
lluvia de cometas! → “hermana buena de Némesis”
Problema: ausencia de aumento de población infrarroja
Referencias
- Gladman, B. et al 2001 (astro-ph/0103435)
- S. I. Ipatov, AIP Conf.Proc. 713: 277 – 280, 2004
- Morbidelli, A. & Levison, H. F. 2004, AJ, 128, 2564
- Morbidelli, A. 2005 (astro-ph/0512256)
- Lykawka P. S., Mukai T., 2007b, Icarus, 192, 238
- Kathryn Volk and Renu Malhotra 2008 ApJ 687 714
- R. Gabryszewski, H. Rickman, 2010 (arXiv:1009.5264v1)
- Oort, J.H., Bulletin of the Astronomical Institutes of the
Nerherlands, 1950, vol. XI, 408
- Wiessman, P.R., 1996, ASPC..107..265W
- Kaib, A. & Quinn, T. 2008 (arXiv:0707,4515v3)
- Kaib, A., Becker. A.C. et al. 2009 (arXiv: 0901,1690v1)
- Klacka, J., Kómar, L. et al. 2010 (arXiv: 1005,3414v1)
- Matese, J.J. & Whitmire, D.P., 2010, Icarus (in press)
FIN