Kuipergürtel

Bekannte Objekte im Kuipergürtel jenseits der Umlaufbahn des Neptun. (Skala in AU; Stand: Januar 2015.)

Sonne   Jupiter-Trojaner   Riesenplaneten: J S U N   Zentauren

Neptun-Trojaner   Resonanter Kuipergürtel   Klassischer Kuipergürtel   Verstreute Scheibe

Die Entfernungen, aber nicht die Größen sind maßstabsgetreu. Die gelbe Scheibe ist etwa so groß wie die Umlaufbahn des Mars.
Quelle: Minor Planet Center, www.cfeps.net und andere ⓘ

Der Kuipergürtel (/ˈkaɪpər/) ist eine zirkumstellare Scheibe im äußeren Sonnensystem, die sich von der Umlaufbahn des Neptun in 30 Astronomischen Einheiten (AE) bis etwa 50 AE von der Sonne entfernt erstreckt. Sie ähnelt dem Asteroidengürtel, ist aber viel größer - 20 Mal so breit und 20-200 Mal so massiv. Wie der Asteroidengürtel besteht er hauptsächlich aus kleinen Körpern oder Überbleibseln aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems. Während viele Asteroiden in erster Linie aus Gestein und Metall bestehen, bestehen die meisten Objekte im Kuipergürtel hauptsächlich aus gefrorenen flüchtigen Stoffen (so genannten "Eiskörpern") wie Methan, Ammoniak und Wasser. Der Kuipergürtel beherbergt die meisten der Objekte, die von den Astronomen im Allgemeinen als Zwergplaneten akzeptiert werden: Orcus, Pluto, Haumea, Quaoar und Makemake. Einige der Monde des Sonnensystems, wie Neptuns Triton und Saturns Phoebe, könnten aus dieser Region stammen. ⓘ

Der Kuiper-Gürtel wurde nach dem niederländischen Astronomen Gerard Kuiper benannt, obwohl er seine Existenz nicht vorausgesagt hat. Im Jahr 1992 wurde der Kleinplanet (15760) Albion entdeckt, das erste Objekt im Kuipergürtel (KBO) seit Pluto (1930) und Charon (1978). Seit seiner Entdeckung hat sich die Zahl der bekannten KBOs auf Tausende erhöht, und man geht davon aus, dass es mehr als 100 000 KBOs mit einem Durchmesser von über 100 km (62 mi) gibt. Ursprünglich ging man davon aus, dass der Kuipergürtel das Hauptlager für periodische Kometen ist, d. h. für Kometen mit Umlaufzeiten von weniger als 200 Jahren. Studien seit Mitte der 1990er Jahre haben gezeigt, dass der Gürtel dynamisch stabil ist und dass der wahre Herkunftsort der Kometen die Streuscheibe ist, eine dynamisch aktive Zone, die durch die Auswärtsbewegung des Neptun vor 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist; Objekte der Streuscheibe wie Eris haben extrem exzentrische Umlaufbahnen, die sie bis zu 100 AE von der Sonne entfernt führen. ⓘ

Der Kuipergürtel unterscheidet sich von der vermuteten Oortschen Wolke, die vermutlich tausendmal weiter entfernt und meist kugelförmig ist. Die Objekte innerhalb des Kuipergürtels werden zusammen mit den Mitgliedern der Streuscheibe und allen potenziellen Objekten der Hills-Wolke oder der Oort-Wolke als transneptunische Objekte (TNOs) bezeichnet. Pluto ist das größte und massereichste Mitglied des Kuipergürtels und der größte und zweitmassereichste bekannte TNO, der nur noch von Eris in der Streuscheibe übertroffen wird. Ursprünglich als Planet eingestuft, wurde Pluto 2006 aufgrund seiner Zugehörigkeit zum Kuipergürtel als Zwergplanet neu klassifiziert. In seiner Zusammensetzung ähnelt er vielen anderen Objekten des Kuipergürtels, und seine Umlaufzeit ist charakteristisch für eine Klasse von KBOs, die als "Plutinos" bekannt sind und die die gleiche 2:3-Resonanz mit Neptun teilen. ⓘ

Der Kuipergürtel und Neptun können als Marker für die Ausdehnung des Sonnensystems betrachtet werden. Alternativen sind die Heliopause und die Entfernung, in der der Gravitationseinfluss der Sonne mit dem anderer Sterne übereinstimmt (schätzungsweise zwischen 50000 und 125000 AE). ⓘ

Kuipergürtel (nichtmaßstäbliches Schema) ⓘ

Der Kuipergürtel [ˈkœypərɡʏʁtl̩] (englisch Kuiper belt) ist eine nach Gerard Peter Kuiper benannte ringförmige, relativ flache Region, die sich im Sonnensystem außerhalb der Neptunbahn in einer Entfernung von ungefähr 30 bis 50 Astronomischen Einheiten (AE) nahe der Ekliptik erstreckt und schätzungsweise mehr als 70.000 Objekte mit mehr als 100 km Durchmesser sowie viele kleinere Objekte enthält. ⓘ

Man vermutet, dass ein Großteil der Kometen mit mittleren Perioden aus dem Kuipergürtel stammt. Während früher davon ausgegangen wurde, dass die Kometenkerne nahezu unverändert aus ihrer Bahn geworfene KBOs sind, gilt mittlerweile, dass es sich bei ihnen um Fragmente aus Zusammenstößen von KBOs handelt. ⓘ

Geschichte

Pluto und Charon ⓘ

Nach der Entdeckung des Pluto im Jahr 1930 spekulierten viele, dass er nicht allein sein könnte. Über die Region, die heute Kuipergürtel genannt wird, gab es jahrzehntelang verschiedene Hypothesen. Erst 1992 wurde der erste direkte Beweis für seine Existenz gefunden. Die Anzahl und Vielfalt der früheren Spekulationen über die Beschaffenheit des Kuipergürtels haben zu einer anhaltenden Ungewissheit darüber geführt, wem das Verdienst gebührt, die Region als Erster vorgeschlagen zu haben. ⓘ

Hypothesen

Der erste Astronom, der die Existenz einer transneptunischen Bevölkerung vorschlug, war Frederick C. Leonard. Kurz nach der Entdeckung des Pluto durch Clyde Tombaugh im Jahr 1930 überlegte Leonard, ob es nicht wahrscheinlich sei, dass in Pluto der erste einer Reihe von ultra-neptunischen Körpern zum Vorschein gekommen ist, deren übrige Mitglieder noch auf ihre Entdeckung warten, die aber bestimmt irgendwann entdeckt werden". Im selben Jahr schlug der Astronom Armin O. Leuschner vor, dass Pluto "einer von vielen langperiodischen planetarischen Objekten sein könnte, die noch entdeckt werden müssen." ⓘ

Der Astronom Gerard Kuiper, nach dem der Kuiper-Gürtel benannt ist ⓘ

Im Jahr 1943 stellte Kenneth Edgeworth im Journal of the British Astronomical Association die Hypothese auf, dass in der Region jenseits von Neptun das Material im ursprünglichen Sonnennebel zu weit auseinander lag, um sich zu Planeten zu verdichten, und sich daher eher zu einer Vielzahl kleinerer Körper verdichtete. Daraus schloss er, dass "die äußere Region des Sonnensystems jenseits der Planetenbahnen von einer sehr großen Zahl vergleichsweise kleiner Körper besetzt ist" und dass von Zeit zu Zeit einer von ihnen "seine eigene Sphäre verlässt und als gelegentlicher Besucher im inneren Sonnensystem erscheint" und zu einem Kometen wird. ⓘ

1951 veröffentlichte Gerard Kuhn in der Zeitschrift Astrophysics: A Topical Symposium, spekulierte Gerard Kuiper über eine ähnliche Scheibe, die sich zu Beginn der Entwicklung des Sonnensystems gebildet hatte, aber er glaubte nicht, dass ein solcher Gürtel heute noch existiert. Kuiper ging von der zu seiner Zeit üblichen Annahme aus, dass Pluto so groß wie die Erde war und diese Körper daher in Richtung Oortsche Wolke oder aus dem Sonnensystem hinausgestreut hatte. Wäre Kuipers Hypothese richtig, gäbe es heute keinen Kuipergürtel. ⓘ

In den folgenden Jahrzehnten nahm die Hypothese viele andere Formen an. Im Jahr 1962 postulierte der Physiker Al G.W. Cameron die Existenz "einer gewaltigen Masse von kleinem Material am Rande des Sonnensystems". Fred Whipple, der die berühmte Hypothese des "schmutzigen Schneeballs" für die Struktur der Kometen verbreitete, vermutete 1964, dass ein "Kometengürtel" massiv genug sein könnte, um die angeblichen Diskrepanzen in der Uranusbahn zu verursachen, die die Suche nach dem Planeten X ausgelöst hatten, oder zumindest massiv genug, um die Bahnen der bekannten Kometen zu beeinflussen. Die Beobachtung schloss diese Hypothese aus. ⓘ

Im Jahr 1977 entdeckte Charles Kowal 2060 Chiron, einen eisigen Planetoiden mit einer Umlaufbahn zwischen Saturn und Uranus. Er verwendete einen Blinkkomparator, das gleiche Gerät, mit dem Clyde Tombaugh fast 50 Jahre zuvor den Pluto entdeckt hatte. Im Jahr 1992 wurde ein weiteres Objekt, 5145 Pholus, in einer ähnlichen Umlaufbahn entdeckt. Heute weiß man, dass es in der Region zwischen Jupiter und Neptun eine ganze Population von kometenähnlichen Körpern gibt, die so genannten Zentauren. Die Bahnen der Zentauren sind instabil und haben eine dynamische Lebensdauer von einigen Millionen Jahren. Seit der Entdeckung von Chiron im Jahr 1977 haben die Astronomen spekuliert, dass die Zentauren daher häufig aus einem äußeren Reservoir aufgefüllt werden müssen. ⓘ

Weitere Beweise für die Existenz des Kuipergürtels wurden später durch die Untersuchung von Kometen erbracht. Dass Kometen eine begrenzte Lebensdauer haben, ist schon seit einiger Zeit bekannt. Wenn sie sich der Sonne nähern, sublimieren ihre flüchtigen Oberflächen durch die Hitze der Sonne im Weltraum und lösen sich allmählich auf. Damit die Kometen über das Alter des Sonnensystems hinweg sichtbar bleiben, müssen sie häufig nachgefüllt werden. Ein Vorschlag für ein solches Nachschubgebiet ist die Oort-Wolke, möglicherweise ein kugelförmiger Kometenschwarm, der sich über 50.000 AE von der Sonne entfernt befindet und von dem niederländischen Astronomen Jan Oort im Jahr 1950 erstmals beschrieben wurde. Man geht davon aus, dass die Oort-Wolke der Ausgangspunkt für langperiodische Kometen ist, d. h. für Kometen wie Hale-Bopp, deren Umlaufbahnen Tausende von Jahren dauern. ⓘ

Es gibt eine weitere Kometenpopulation, die als kurzperiodische oder periodische Kometen bekannt ist und aus Kometen besteht, die, wie der Halleysche Komet, Umlaufzeiten von weniger als 200 Jahren haben. In den 1970er Jahren wurde die Häufigkeit, mit der kurzperiodische Kometen entdeckt wurden, immer unvereinbarer mit der Tatsache, dass sie ausschließlich aus der Oortschen Wolke stammen. Damit ein Objekt aus der Oortschen Wolke zu einem kurzperiodischen Kometen werden konnte, musste es zunächst von den Riesenplaneten eingefangen werden. In einem 1980 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlichten Aufsatz stellte der uruguayische Astronom Julio Fernández fest, dass für jeden kurzperiodischen Kometen, der von der Oortschen Wolke ins innere Sonnensystem geschickt wird, 600 in den interstellaren Raum ausgestoßen werden müssten. Er spekulierte, dass ein Kometengürtel zwischen 35 und 50 AE erforderlich wäre, um die beobachtete Anzahl von Kometen zu erreichen. Im Anschluss an die Arbeiten von Fernández führte das kanadische Team von Martin Duncan, Tom Quinn und Scott Tremaine 1988 eine Reihe von Computersimulationen durch, um festzustellen, ob alle beobachteten Kometen aus der Oortschen Wolke stammen könnten. Sie fanden heraus, dass die Oort-Wolke nicht für alle kurzperiodischen Kometen verantwortlich sein kann, zumal sich kurzperiodische Kometen in der Nähe der Ebene des Sonnensystems konzentrieren, während Kometen aus der Oort-Wolke in der Regel von jedem Punkt des Himmels kommen. Mit einem "Gürtel", wie Fernández ihn beschrieb, stimmten die Simulationen mit den Beobachtungen überein. Berichten zufolge nannte Tremaine diese hypothetische Region "Kuiper-Gürtel", weil die Worte "Kuiper" und "Kometengürtel" im ersten Satz von Fernández' Arbeit vorkamen. ⓘ

Entdeckung

Die Teleskopanlage auf dem Mauna Kea, mit der der Kuipergürtel entdeckt wurde ⓘ

Im Jahr 1987 wurde der Astronom David Jewitt, damals am MIT, zunehmend von der "scheinbaren Leere des äußeren Sonnensystems" verwirrt. Er ermutigte die damalige Doktorandin Jane Luu, ihn bei seinen Bemühungen zu unterstützen, ein weiteres Objekt jenseits der Plutobahn zu finden, denn, so sagte er ihr, "wenn wir es nicht tun, wird es niemand tun". Mit Hilfe der Teleskope des Kitt Peak National Observatory in Arizona und des Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile führten Jewitt und Luu ihre Suche auf die gleiche Weise durch wie Clyde Tombaugh und Charles Kowal, nämlich mit einem Blinkkomparator. Ursprünglich dauerte die Untersuchung jedes Plattenpaares etwa acht Stunden, doch mit dem Aufkommen elektronischer ladungsgekoppelter Bauelemente (CCDs) konnte der Prozess beschleunigt werden. Diese haben zwar ein kleineres Sichtfeld, sind aber nicht nur effizienter bei der Lichtsammlung (sie halten 90 % des auf sie treffenden Lichts fest, im Gegensatz zu den 10 %, die bei Fotografien erreicht werden), sondern ermöglichen es auch, den Blinkvorgang virtuell auf einem Computerbildschirm durchzuführen. Heute bilden CCDs die Grundlage für die meisten astronomischen Detektoren. 1988 wechselte Jewitt an das Institut für Astronomie der Universität von Hawaii. Luu schloss sich ihm später an, um am 2,24-Meter-Teleskop der Universität von Hawaii auf dem Mauna Kea zu arbeiten. Schließlich hatte sich das Sichtfeld der CCDs auf 1024 mal 1024 Pixel vergrößert, wodurch die Suche wesentlich schneller durchgeführt werden konnte. Nach fünf Jahren der Suche verkündeten Jewitt und Luu am 30. August 1992 die "Entdeckung des Kuiper-Gürtel-Kandidaten 1992 QB₁". Dieses Objekt sollte später den Namen 15760 Albion erhalten. Sechs Monate später entdeckten sie ein zweites Objekt in dieser Region, (181708) 1993 FW. Bis 2018 wurden über 2000 Kuipergürtel-Objekte entdeckt. ⓘ

In den zwanzig Jahren (1992-2012) nach der Entdeckung von 1992 QB₁ (im Jahr 2018 15760 Albion genannt) wurden über tausend Körper im Gürtel gefunden, was zeigt, dass der Gürtel nicht nur aus Pluto und Albion besteht. In den 2010er Jahren sind das volle Ausmaß und die Art der Körper des Kuipergürtels noch weitgehend unbekannt. In den späten 2010er Jahren schließlich flog eine unbemannte Raumsonde dicht an zwei KBOs vorbei und ermöglichte so wesentlich genauere Beobachtungen des Plutonischen Systems und eines weiteren KBOs. ⓘ

Studien, die seit der ersten Kartierung der transneptunischen Region durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die heute als Kuipergürtel bezeichnete Region nicht der Ursprungsort der kurzperiodischen Kometen ist, sondern dass sie stattdessen aus einer zusammenhängenden Population stammen, die als Streuscheibe bezeichnet wird. Die Streuscheibe entstand, als Neptun in den Proto-Kuipergürtel wanderte, der sich damals viel näher an der Sonne befand, und in seinem Kielwasser eine Population dynamisch stabiler Objekte hinterließ, die niemals von seiner Umlaufbahn beeinflusst werden konnten (der eigentliche Kuipergürtel), und eine Population, deren Perihelien nahe genug sind, dass Neptun sie auf seiner Reise um die Sonne noch stören kann (die Streuscheibe). Da die verstreute Scheibe dynamisch aktiv und der Kuipergürtel relativ dynamisch stabil ist, gilt die verstreute Scheibe heute als der wahrscheinlichste Ursprungsort für periodische Kometen. ⓘ

Name

Astronomen verwenden manchmal die alternative Bezeichnung Edgeworth-Kuipergürtel, um Edgeworth zu ehren, und KBOs werden gelegentlich als EKOs bezeichnet. Brian G. Marsden behauptet, dass weder Edgeworth noch Kuiper die wahre Ehre gebührt: "Weder Edgeworth noch Kuiper schrieben über irgendetwas, das auch nur im Entferntesten mit dem vergleichbar ist, was wir jetzt sehen, aber Fred Whipple schon". David Jewitt kommentiert: "Wenn überhaupt ... verdient Fernández am ehesten das Verdienst, den Kuiper-Gürtel vorhergesagt zu haben." ⓘ

KBOs werden manchmal "Kuiperoide" genannt, ein Name, der von Clyde Tombaugh vorgeschlagen wurde. Der Begriff "transneptunisches Objekt" (TNO) wird von mehreren wissenschaftlichen Gruppen für Objekte im Gürtel empfohlen, da er weniger umstritten ist als alle anderen - er ist jedoch kein exaktes Synonym, da TNOs alle Objekte umfassen, die die Sonne jenseits der Neptunbahn umkreisen, nicht nur diejenigen im Kuipergürtel. ⓘ

Aufbau

Der Kuipergürtel erstreckt sich in seiner größten Ausdehnung (ohne die Streuscheibe), einschließlich seiner Randgebiete, über einen Bereich von etwa 30-55 AE. Es wird allgemein angenommen, dass sich der Hauptkörper des Gürtels von der 2:3-Resonanz der mittleren Bewegung (siehe unten) bei 39,5 AE bis zur 1:2-Resonanz bei etwa 48 AE erstreckt. Der Kuipergürtel ist ziemlich dick, wobei sich die Hauptkonzentration bis zu zehn Grad außerhalb der Ekliptikebene erstreckt und eine diffusere Verteilung von Objekten ein Vielfaches davon entfernt liegt. Insgesamt ähnelt er eher einem Torus oder Doughnut als einem Gürtel. Seine mittlere Position ist um 1,86 Grad gegen die Ekliptik geneigt. ⓘ

Die Anwesenheit von Neptun hat aufgrund von Bahnresonanzen einen tiefgreifenden Einfluss auf die Struktur des Kuipergürtels. Auf einer Zeitskala, die mit dem Alter des Sonnensystems vergleichbar ist, destabilisiert Neptuns Schwerkraft die Bahnen aller Objekte, die sich in bestimmten Regionen befinden, und schickt sie entweder ins innere Sonnensystem oder in die verstreute Scheibe oder den interstellaren Raum. Dies führt dazu, dass der Kuipergürtel in seinem derzeitigen Aufbau ausgeprägte Lücken aufweist, ähnlich den Kirkwood-Lücken im Asteroidengürtel. In der Region zwischen 40 und 42 AE beispielsweise kann kein Objekt über einen solchen Zeitraum eine stabile Umlaufbahn beibehalten, und alle in dieser Region beobachteten Objekte müssen vor relativ kurzer Zeit dorthin gewandert sein. ⓘ

Die verschiedenen dynamischen Klassen der transneptunischen Objekte. ⓘ

Klassischer Gürtel

Zwischen den 2:3- und 1:2-Resonanzen mit Neptun, bei etwa 42-48 AE, treten die gravitativen Wechselwirkungen mit Neptun über einen längeren Zeitraum auf, und Objekte können mit im Wesentlichen unveränderten Bahnen existieren. Diese Region wird als klassischer Kuipergürtel bezeichnet, und ihre Mitglieder machen etwa zwei Drittel der bisher beobachteten KBOs aus. Da der erste entdeckte moderne KBO (Albion, aber lange Zeit (15760) 1992 QB₁ genannt) als Prototyp dieser Gruppe gilt, werden die klassischen KBOs oft als Kubewanos ("Q-B-1-os") bezeichnet. Die von der IAU aufgestellten Richtlinien verlangen, dass die klassischen KBOs Namen von mythologischen Wesen erhalten, die mit der Schöpfung verbunden sind. ⓘ

Der klassische Kuipergürtel scheint aus zwei separaten Populationen zusammengesetzt zu sein. Die erste, die als "dynamisch kalte" Population bekannt ist, hat Bahnen, die denen der Planeten sehr ähnlich sind: nahezu kreisförmig, mit einer Bahnexzentrizität von weniger als 0,1 und mit relativ geringen Neigungen bis zu etwa 10° (sie liegen nahe an der Ebene des Sonnensystems und nicht in einem Winkel). Die kalte Population enthält auch eine Konzentration von Objekten, die als Kern bezeichnet werden, mit Halbachsen bei 44-44,5 AE. Die zweite Population, die "dynamisch heiße" Population, hat Bahnen, die viel stärker zur Ekliptik geneigt sind, nämlich um bis zu 30°. Die beiden Populationen wurden nicht wegen eines größeren Temperaturunterschieds so benannt, sondern in Analogie zu Teilchen in einem Gas, die ihre Relativgeschwindigkeit erhöhen, wenn sie sich aufheizen. Die beiden Populationen befinden sich nicht nur auf unterschiedlichen Umlaufbahnen, sondern die kalte Population unterscheidet sich auch in Farbe und Albedo: Sie ist röter und heller, hat einen größeren Anteil an binären Objekten, weist eine andere Größenverteilung auf und enthält keine sehr großen Objekte. Die Masse der dynamisch kalten Population ist etwa 30 Mal geringer als die Masse der heißen Population. Der Farbunterschied könnte auf eine unterschiedliche Zusammensetzung zurückzuführen sein, was darauf hindeutet, dass sie in unterschiedlichen Regionen entstanden sind. Es wird angenommen, dass sich die heiße Population in der Nähe von Neptuns ursprünglicher Umlaufbahn gebildet hat und während der Wanderung der Riesenplaneten verstreut wurde. Die kalte Population hingegen soll sich mehr oder weniger an ihrer jetzigen Position gebildet haben, da die losen Doppelsterne eine Begegnung mit Neptun wahrscheinlich nicht überleben würden. Obwohl das Nizza-Modell zumindest teilweise einen Unterschied in der Zusammensetzung zu erklären scheint, wurde auch vorgeschlagen, dass der Farbunterschied Unterschiede in der Oberflächenentwicklung widerspiegeln könnte. ⓘ

Resonanzen

Verteilung der Quader (blau), der resonanten transneptunischen Objekte (rot), der Sednoiden (gelb) und der verstreuten Objekte (grau) ⓘ

Klassifizierung der Umlaufbahnen (Schema der Halbachsen) ⓘ

Wenn die Umlaufzeit eines Objekts in einem exakten Verhältnis zur Umlaufzeit des Neptun steht (eine Situation, die als Resonanz der mittleren Bewegung bezeichnet wird), kann es in einer synchronisierten Bewegung mit Neptun verharren und Störungen vermeiden, wenn ihre relativen Ausrichtungen angemessen sind. Wenn z. B. ein Objekt die Sonne zweimal pro drei Neptunumläufe umkreist und das Perihel erreicht, während Neptun ein Viertel eines Umlaufs von ihm entfernt ist, dann befindet sich Neptun bei seiner Rückkehr zum Perihel immer in etwa in der gleichen relativen Position wie zu Beginn, da er 1+1⁄2 Umläufe in der gleichen Zeit absolviert hat. Dies wird als 2:3-Resonanz (oder 3:2-Resonanz) bezeichnet und entspricht einer charakteristischen Halbwertsachse von etwa 39,4 AE. Diese 2:3-Resonanz wird von etwa 200 bekannten Objekten bevölkert, darunter Pluto mit seinen Monden. In Anerkennung dessen werden die Mitglieder dieser Familie als Plutinos bezeichnet. Viele Plutinos, darunter auch Pluto, haben Umlaufbahnen, die die des Neptun kreuzen, obwohl ihre Resonanz bedeutet, dass sie niemals zusammenstoßen können. Plutinos weisen hohe Bahnexzentrizitäten auf, was darauf hindeutet, dass sie nicht an ihren aktuellen Positionen beheimatet sind, sondern von dem wandernden Neptun zufällig in ihre Bahnen geschleudert wurden. Nach den Richtlinien der IAU müssen alle Plutinos wie Pluto nach Gottheiten der Unterwelt benannt sein. Die 1:2-Resonanz (deren Objekte jeweils eine halbe Neptunumlaufbahn absolvieren) entspricht einer Halbachse von ~47,7 AE und ist nur dünn besiedelt. Seine Bewohner werden manchmal als Twotinos bezeichnet. Weitere Resonanzen gibt es auch bei 3:4, 3:5, 4:7 und 2:5. Neptun hat eine Reihe von trojanischen Objekten, die seine Lagrange-Punkte besetzen, d.h. gravitativ stabile Regionen, die ihm auf seiner Umlaufbahn voraus- und nacheilen. Neptuntrojaner befinden sich in einer 1:1-Resonanz der mittleren Bewegung mit Neptun und haben oft sehr stabile Bahnen. ⓘ

Darüber hinaus gibt es eine relative Abwesenheit von Objekten mit Halbachsen unter 39 AE, die sich offenbar nicht durch die vorhandenen Resonanzen erklären lassen. Die gegenwärtig akzeptierte Hypothese für die Ursache hierfür ist, dass sich im Zuge der Auswärtswanderung des Neptun instabile Bahnresonanzen allmählich durch diese Region bewegten, so dass alle darin befindlichen Objekte mitgerissen oder gravitativ aus ihr herausgeschleudert wurden. ⓘ

Kuiper-Klippe

Histogramm der Halbachsen von Objekten des Kuipergürtels mit Neigungen über und unter 5 Grad. Die Spitzen der Plutinos und des "Kerns" sind bei 39-40 AE und 44 AE sichtbar. ⓘ

Die 1:2-Resonanz bei 47,8 AE scheint eine Grenze zu sein, über die hinaus nur wenige Objekte bekannt sind. Es ist nicht klar, ob es sich tatsächlich um den äußeren Rand des klassischen Gürtels oder nur um den Beginn einer breiten Lücke handelt. An der 2:5-Resonanz bei etwa 55 AE, also weit außerhalb des klassischen Gürtels, wurden Objekte entdeckt; Vorhersagen über eine große Anzahl von Körpern in klassischen Umlaufbahnen zwischen diesen Resonanzen wurden durch Beobachtungen nicht bestätigt. ⓘ

Auf der Grundlage von Schätzungen der ursprünglichen Masse, die für die Bildung von Uranus und Neptun sowie von Körpern bis zur Größe von Pluto erforderlich war (siehe § Massen- und Größenverteilung), hatten frühere Modelle des Kuipergürtels angenommen, dass die Zahl der großen Objekte jenseits von 50 AE um den Faktor zwei zunehmen würde, so dass dieser plötzliche drastische Abfall, der als Kuiperklippe bekannt ist, unerwartet war und seine Ursache bis heute unbekannt ist. Bernstein, Trilling, et al. (2003) fanden Beweise dafür, dass der rasche Rückgang von Objekten mit einem Radius von 100 km oder mehr jenseits von 50 AE real ist und nicht auf Beobachtungsfehler zurückzuführen ist. Zu den möglichen Erklärungen gehört, dass das Material in dieser Entfernung zu spärlich oder zu zerstreut war, um zu großen Objekten zusammenzuwachsen, oder dass nachfolgende Prozesse diejenigen, die es geschafft haben, entfernt oder zerstört haben. Patryk Lykawka von der Universität Kobe behauptet, dass die Anziehungskraft eines unsichtbaren, großen Planetenobjekts, vielleicht von der Größe der Erde oder des Mars, dafür verantwortlich sein könnte. ⓘ

Herkunft

Simulation der äußeren Planeten und des Kuipergürtels: (a) vor der 1:2-Resonanz zwischen Jupiter und Saturn, (b) Einstreuung von Objekten aus dem Kuipergürtel in das Sonnensystem nach der Bahnverschiebung von Neptun, (c) nach dem Auswurf von Körpern aus dem Kuipergürtel durch Jupiter ⓘ

Der Kuipergürtel (grün), in den Außenbezirken des Sonnensystems ⓘ

Die genauen Ursprünge des Kuipergürtels und seine komplexe Struktur sind noch immer unklar, und die Astronomen warten auf die Fertigstellung mehrerer Großfeld-Durchmusterungsteleskope wie Pan-STARRS und das künftige LSST, die viele bisher unbekannte KBOs aufdecken sollen. Diese Durchmusterungen werden Daten liefern, die helfen werden, Antworten auf diese Fragen zu finden. ⓘ

Man geht davon aus, dass der Kuipergürtel aus Planetesimalen besteht, d. h. aus Fragmenten der ursprünglichen protoplanetaren Scheibe um die Sonne, die nicht vollständig zu Planeten zusammengewachsen sind und sich stattdessen zu kleineren Körpern mit einem Durchmesser von weniger als 3.000 km gebildet haben. Untersuchungen der Krater auf Pluto und Charon ergaben, dass es kaum kleine Krater gibt, was darauf hindeutet, dass sich diese Objekte direkt als große Objekte mit einem Durchmesser von mehreren zehn Kilometern gebildet haben und nicht aus viel kleineren Körpern mit einem Durchmesser von etwa einem Kilometer hervorgegangen sind. Zu den hypothetischen Mechanismen für die Bildung dieser größeren Körper gehört der gravitative Kollaps von Wolken aus Kieselsteinen, die zwischen Wirbeln in einer turbulenten protoplanetaren Scheibe oder in Strömungsinstabilitäten konzentriert sind. Diese kollabierenden Wolken können fragmentieren und Doppelsterne bilden. ⓘ

Moderne Computersimulationen zeigen, dass der Kuipergürtel stark von Jupiter und Neptun beeinflusst wurde, und deuten darauf hin, dass sich weder Uranus noch Neptun in ihrer jetzigen Position gebildet haben können, da in diesem Bereich zu wenig Urmaterie vorhanden war, um Objekte mit so großer Masse zu erzeugen. Stattdessen dürften sich diese Planeten näher am Jupiter gebildet haben. Die Streuung der Planetesimale zu Beginn der Geschichte des Sonnensystems hätte zu einer Verschiebung der Bahnen der Riesenplaneten geführt: Saturn, Uranus und Neptun drifteten nach außen, während Jupiter nach innen driftete. Schließlich verschoben sich die Bahnen bis zu dem Punkt, an dem Jupiter und Saturn eine exakte 1:2-Resonanz erreichten; Jupiter umkreiste die Sonne zweimal für eine Saturnumlaufbahn. Die gravitativen Auswirkungen einer solchen Resonanz destabilisierten schließlich die Bahnen von Uranus und Neptun, so dass sie auf hochexzentrische Bahnen gestreut wurden, die die ursprüngliche Planetesimalscheibe durchquerten. ⓘ

Während Neptuns Bahn stark exzentrisch war, überlappten sich seine mittleren Bewegungsresonanzen und die Bahnen der Planetesimale entwickelten sich chaotisch, so dass die Planetesimale bis zu Neptuns 1:2-Resonanz nach außen wandern und einen dynamisch kalten Gürtel von Objekten mit geringer Neigung bilden konnten. Später, nachdem die Exzentrizität des Neptuns abgenommen hatte, dehnte sich seine Umlaufbahn nach außen zu seiner heutigen Position aus. Viele Planetesimale wurden während dieser Wanderung in Resonanzen eingefangen und blieben dort, andere entwickelten sich auf Bahnen mit höherer Neigung und geringerer Exzentrizität und entkamen aus den Resonanzen auf stabile Bahnen. Viele weitere Planetesimale wurden nach innen gestreut, wobei ein kleiner Teil als Jupiter-Trojaner, als unregelmäßige Satelliten, die die Riesenplaneten umkreisen, und als Asteroiden im äußeren Gürtel eingefangen wurde. Der Rest wurde von Jupiter wieder nach außen gestreut und in den meisten Fällen aus dem Sonnensystem herausgeschleudert, wodurch die ursprüngliche Kuipergürtel-Population um 99 % oder mehr reduziert wurde. ⓘ

Die ursprüngliche Version des derzeit populärsten Modells, das "Nizza-Modell", reproduziert viele Merkmale des Kuipergürtels, wie z. B. die "kalten" und "heißen" Populationen, resonante Objekte und eine verstreute Scheibe, aber es kann einige der Merkmale ihrer Verteilung nicht erklären. Das Modell sagt eine höhere durchschnittliche Exzentrizität in klassischen KBO-Bahnen voraus als beobachtet (0,10-0,13 gegenüber 0,07), und die vorhergesagte Neigungsverteilung enthält zu wenige Objekte mit hoher Neigung. Darüber hinaus stellt die Häufigkeit von Doppelobjekten im kalten Gürtel, von denen viele weit auseinander liegen und nur lose miteinander verbunden sind, ein Problem für das Modell dar. Es wird vorhergesagt, dass diese Objekte bei Begegnungen mit Neptun getrennt wurden, was einige zu der Annahme veranlasst, dass sich die kalte Scheibe an ihrer jetzigen Position gebildet hat und die einzige wirklich lokale Population kleiner Körper im Sonnensystem darstellt. ⓘ

Nach einer neueren Änderung des Nizza-Modells begann das Sonnensystem mit fünf Riesenplaneten, darunter ein zusätzlicher Eisriese, in einer Kette von Resonanzen mit mittlerer Bewegung. Etwa 400 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems wird die Resonanzkette unterbrochen. Statt in die Scheibe verstreut zu werden, wandern die Eisriesen zunächst einige AE nach außen. Diese divergierende Wanderung führt schließlich zu einer Resonanzkreuzung, die die Bahnen der Planeten destabilisiert. Der zusätzliche Eisriese trifft auf Saturn und wird nach innen auf eine den Jupiter kreuzende Bahn gestreut und nach einer Reihe von Begegnungen aus dem Sonnensystem herausgeschleudert. Die verbleibenden Planeten setzen dann ihre Wanderung fort, bis die Planetesimalscheibe fast erschöpft ist und kleine Fraktionen an verschiedenen Orten verbleiben. ⓘ

Wie im ursprünglichen Modell von Nizza werden die Objekte während der Auswärtswanderung in Resonanzen mit Neptun eingefangen. Einige verbleiben in den Resonanzen, andere entwickeln sich auf Bahnen mit höherer Inklination und geringerer Exzentrizität und werden auf stabile Bahnen entlassen, die den dynamisch heißen klassischen Gürtel bilden. Die Neigungsverteilung des heißen Gürtels kann reproduziert werden, wenn Neptun in einer Zeitspanne von 30 Myr von 24 AE auf 30 AE wandert. Wenn Neptun auf 28 AE wandert, kommt es zu einer gravitativen Begegnung mit dem zusätzlichen Eisriesen. Objekte, die aus dem kalten Gürtel in die 1:2-Mittelwert-Resonanz mit Neptun eingefangen werden, bleiben als lokale Konzentration bei 44 AE zurück, wenn dieses Zusammentreffen Neptuns Semi-Majorachse nach außen springen lässt. Zu den Objekten, die sich im kalten Gürtel ablagern, gehören auch einige lose gebundene "blaue" Doppelsternsysteme, die ihren Ursprung näher an der aktuellen Position des kalten Gürtels haben. Wenn Neptuns Exzentrizität während dieser Begegnung klein bleibt, wird die chaotische Entwicklung der Bahnen des ursprünglichen Nizza-Modells vermieden und ein ursprünglicher kalter Gürtel bleibt erhalten. In den späteren Phasen der Neptunwanderung werden die Objekte mit höherer Exzentrizität durch langsame Resonanzen der mittleren Bewegung aus dem kalten Gürtel entfernt, wodurch dessen Exzentrizitätsverteilung abgeschnitten wird. ⓘ

Zusammensetzung

Die Infrarotspektren von Eris und Pluto, die ihre gemeinsamen Methanabsorptionslinien hervorheben ⓘ

Da die Objekte des Kuipergürtels weit von der Sonne und den Hauptplaneten entfernt sind, geht man davon aus, dass sie von den Prozessen, die andere Objekte des Sonnensystems geformt und verändert haben, relativ unbeeinflusst sind; daher würde die Bestimmung ihrer Zusammensetzung wichtige Informationen über die Zusammensetzung des frühesten Sonnensystems liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe und extremen Entfernung von der Erde ist die chemische Zusammensetzung von KBOs sehr schwer zu bestimmen. Die wichtigste Methode, mit der Astronomen die Zusammensetzung eines Himmelsobjekts bestimmen, ist die Spektroskopie. Wenn das Licht eines Objekts in seine einzelnen Farben zerlegt wird, entsteht ein regenbogenähnliches Bild. Dieses Bild wird als Spektrum bezeichnet. Verschiedene Stoffe absorbieren Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, und wenn das Spektrum eines bestimmten Objekts aufgedröselt wird, erscheinen dunkle Linien (so genannte Absorptionslinien) an den Stellen, an denen die darin enthaltenen Stoffe diese bestimmte Wellenlänge des Lichts absorbiert haben. Jedes Element oder jede Verbindung hat seine eigene einzigartige spektroskopische Signatur, und durch das Lesen des vollständigen spektralen "Fingerabdrucks" eines Objekts können die Astronomen seine Zusammensetzung bestimmen. ⓘ

Die Analyse zeigt, dass die Objekte des Kuipergürtels aus einer Mischung aus Gestein und einer Vielzahl von Eissorten wie Wasser, Methan und Ammoniak bestehen. Die Temperatur des Gürtels beträgt nur etwa 50 K, so dass viele Verbindungen, die in der Nähe der Sonne gasförmig wären, fest bleiben. Die Dichten und Steineisanteile sind nur für eine kleine Anzahl von Objekten bekannt, für die die Durchmesser und Massen bestimmt wurden. Der Durchmesser kann durch Aufnahmen mit einem hochauflösenden Teleskop wie dem Hubble-Weltraumteleskop, durch den Zeitpunkt einer Bedeckung, wenn ein Objekt vor einem Stern vorbeizieht, oder, was am häufigsten der Fall ist, durch Verwendung der Albedo eines Objekts, die aus seinen Infrarotemissionen berechnet wird, bestimmt werden. Die Massen werden anhand der Halbachsen und Perioden der Satelliten bestimmt, die daher nur für einige wenige Doppelsternobjekte bekannt sind. Die Dichten reichen von weniger als 0,4 bis 2,6 g/cm³. Es wird angenommen, dass die Objekte mit der geringsten Dichte größtenteils aus Eis bestehen und eine erhebliche Porosität aufweisen. Die dichtesten Objekte bestehen wahrscheinlich aus Gestein mit einer dünnen Eiskruste. Es gibt einen Trend zu niedrigen Dichten bei kleinen Objekten und hohen Dichten bei den größten Objekten. Eine mögliche Erklärung für diesen Trend ist, dass Eis aus den Oberflächenschichten verloren ging, als differenzierte Objekte zusammenstießen und die größten Objekte bildeten. ⓘ

Künstlerische Darstellung des Plutinos und möglichen ehemaligen Asteroiden vom Typ C (120216) 2004 EW95 ⓘ

Anfänglich war eine detaillierte Analyse der KBOs nicht möglich, und so konnten die Astronomen nur die grundlegendsten Fakten über ihre Beschaffenheit, vor allem ihre Farbe, ermitteln. Diese ersten Daten zeigten ein breites Farbspektrum der KBOs, das von neutralem Grau bis zu tiefem Rot reichte. Dies deutet darauf hin, dass ihre Oberflächen aus einer breiten Palette von Verbindungen bestehen, von schmutzigem Eis bis hin zu Kohlenwasserstoffen. Diese Vielfalt war verblüffend, denn die Astronomen hatten erwartet, dass KBOs einheitlich dunkel sind, da die meisten flüchtigen Eismoleküle auf ihren Oberflächen durch die kosmische Strahlung zerstört wurden. Für diese Diskrepanz wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, darunter das Wiederauftauchen durch Einschläge oder Ausgasungen. Die Spektralanalyse der bekannten Kuipergürtel-Objekte durch Jewitt und Luu im Jahr 2001 ergab, dass die Farbunterschiede zu extrem waren, um sie durch zufällige Einschläge erklären zu können. Es wird angenommen, dass die Strahlung der Sonne das Methan auf der Oberfläche der KBOs chemisch verändert hat, so dass Produkte wie Tholine entstanden sind. Auf Makemake wurde eine Reihe von Kohlenwasserstoffen nachgewiesen, die aus der Strahlungsverarbeitung von Methan stammen, darunter Ethan, Ethylen und Acetylen. ⓘ

Obwohl die meisten KBOs aufgrund ihrer Schwachheit bis heute keine spektralen Merkmale aufweisen, ist es gelungen, ihre Zusammensetzung zu bestimmen. Im Jahr 1996 sammelten Robert H. Brown et al. spektroskopische Daten über den KBO 1993 SC, die zeigten, dass seine Oberflächenzusammensetzung der von Pluto und dem Neptunmond Triton sehr ähnlich ist und große Mengen Methaneis enthält. Für die kleineren Objekte wurden nur die Farben und in einigen Fällen die Albedos bestimmt. Diese Objekte lassen sich weitgehend in zwei Klassen einteilen: grau mit niedriger Albedo oder sehr rot mit hoher Albedo. Es wird angenommen, dass die Unterschiede in Farbe und Albedo auf die Speicherung oder den Verlust von Schwefelwasserstoff (H₂S) auf der Oberfläche dieser Objekte zurückzuführen sind, wobei die Oberflächen derjenigen Objekte, die weit genug von der Sonne entfernt entstanden sind, um H₂S zu speichern, aufgrund der Strahlung gerötet sind. ⓘ

Die größten KBOs, wie Pluto und Quaoar, haben Oberflächen, die reich an flüchtigen Verbindungen wie Methan, Stickstoff und Kohlenmonoxid sind; das Vorhandensein dieser Moleküle ist wahrscheinlich auf ihren moderaten Dampfdruck im Temperaturbereich von 30-50 K im Kuipergürtel zurückzuführen. Dies ermöglicht es ihnen, gelegentlich von der Oberfläche abzukochen und dann als Schnee wieder abzufallen, während Verbindungen mit höheren Siedepunkten fest bleiben würden. Die relativen Häufigkeiten dieser drei Verbindungen in den größten KBOs stehen in direktem Zusammenhang mit der Schwerkraft ihrer Oberfläche und der Umgebungstemperatur, die bestimmt, welche sie behalten können. Wassereis wurde bei mehreren KBOs nachgewiesen, darunter bei Mitgliedern der Haumea-Familie wie 1996 TO₆₆, bei mittelgroßen Objekten wie 38628 Huya und 20000 Varuna und auch bei einigen kleinen Objekten. Das Vorhandensein von kristallinem Eis auf großen und mittelgroßen Objekten, einschließlich 50000 Quaoar, wo ebenfalls Ammoniakhydrat nachgewiesen wurde, könnte auf vergangene tektonische Aktivitäten hinweisen, die durch die Senkung des Schmelzpunkts aufgrund des Vorhandenseins von Ammoniak unterstützt wurden. ⓘ

Masse- und Größenverteilung

Trotz seiner enormen Ausdehnung ist die Gesamtmasse des Kuipergürtels relativ gering. Die Gesamtmasse der dynamisch heißen Population wird auf 1 % der Masse der Erde geschätzt. Die dynamisch kalte Population wird mit nur 0,03 % der Masse der Erde als wesentlich kleiner eingeschätzt. Während man davon ausgeht, dass die dynamisch heiße Population das Überbleibsel einer viel größeren Population ist, die sich näher an der Sonne gebildet hat und während der Wanderung der Riesenplaneten nach außen gestreut wurde, geht man davon aus, dass sich die dynamisch kalte Population an ihrem heutigen Standort gebildet hat. Die jüngste Schätzung (2018) beziffert die Gesamtmasse des Kuipergürtels auf (1,97±0,30)×10-2 Erdmassen, basierend auf dem Einfluss, den er auf die Bewegung der Planeten ausübt. ⓘ

Die geringe Gesamtmasse der dynamisch kalten Population stellt einige Probleme für Modelle zur Entstehung des Sonnensystems dar, da für die Akkretion von KBOs mit einem Durchmesser von mehr als 100 km eine beträchtliche Masse erforderlich ist. Hätte der kalte klassische Kuipergürtel schon immer seine derzeitige geringe Dichte gehabt, hätten sich diese großen Objekte nicht durch Kollisionen und Verschmelzungen kleinerer Planetesimale bilden können. Außerdem führen die Exzentrizität und die Neigung der derzeitigen Umlaufbahnen dazu, dass die Begegnungen recht "heftig" sind und eher zur Zerstörung als zur Anreicherung führen. Die Entfernung eines großen Teils der Masse der dynamisch kalten Population gilt als unwahrscheinlich. Der derzeitige Einfluss von Neptun ist zu schwach, um ein solch massives "Absaugen" zu erklären, und das Ausmaß des Massenverlustes durch Kollisionsschleifen wird durch das Vorhandensein lose gebundener Doppelsterne in der kalten Scheibe begrenzt, die bei Kollisionen wahrscheinlich zerrissen werden. Anstatt aus den Kollisionen kleinerer Planetesimale zu entstehen, könnte sich das größere Objekt direkt aus dem Zusammenbruch von Wolken von Kieselsteinen gebildet haben. ⓘ

Veranschaulichung des Potenzgesetzes ⓘ

Die Größenverteilungen der Objekte im Kuipergürtel folgen einer Reihe von Potenzgesetzen. Ein Potenzgesetz beschreibt die Beziehung zwischen N(D) (der Anzahl der Objekte mit einem Durchmesser größer als D) und D und wird als Helligkeitsanstieg bezeichnet. Die Anzahl der Objekte ist umgekehrt proportional zu einer Potenz des Durchmessers D:

${\frac {dN}{dD}}\propto D^{-q}.$ Daraus ergibt sich (unter der Annahme, dass q nicht 1 ist) :$N\propto D^{1-q}+{\text{a constant }}.$

(Die Konstante kann nur dann ungleich Null sein, wenn das Potenzgesetz bei hohen Werten von D nicht gilt). ⓘ

Frühe Schätzungen, die auf Messungen der Verteilung der scheinbaren Helligkeit beruhten, ergaben einen Wert von q = 4 ± 0,5, was bedeutet, dass es 8 (=2³) Mal mehr Objekte im Bereich von 100-200 km als im Bereich von 200-400 km gibt. ⓘ

Neuere Untersuchungen haben ergeben, dass die Größenverteilungen der heißen klassischen und der kalten klassischen Objekte unterschiedliche Steigungen aufweisen. Die Steigung der heißen Objekte beträgt q = 5,3 bei großen Durchmessern und q = 2,0 bei kleinen Durchmessern, wobei sich die Steigung bei 110 km ändert. Die Steigung für die kalten Objekte beträgt q = 8,2 bei großen Durchmessern und q = 2,9 bei kleinen Durchmessern mit einer Änderung der Steigung bei 140 km. Die Größenverteilungen der streuenden Objekte, der Plutinos und der Neptun-Trojaner weisen ähnliche Steigungen auf wie die der anderen dynamisch heißen Populationen, können aber stattdessen einen Divot aufweisen, eine starke Abnahme der Anzahl von Objekten unterhalb einer bestimmten Größe. Es wird angenommen, dass diese Einkerbung entweder auf die Kollisionsentwicklung der Population zurückzuführen ist oder darauf, dass sich die Population ohne Objekte unterhalb dieser Größe gebildet hat, wobei die kleineren Objekte Fragmente der ursprünglichen Objekte sind. ⓘ

Die kleinsten bekannten Kuipergürtel-Objekte mit Radien unter 1 km wurden bisher nur durch Sternbedeckungen entdeckt, da sie viel zu schwach sind (Helligkeit 35), um von Teleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop direkt gesehen zu werden. Die ersten Berichte über diese Bedeckungen stammen von Schlichting et al. im Dezember 2009, die die Entdeckung eines kleinen Kuiper-Gürtel-Objekts mit einem Radius von weniger als einem Kilometer in archivierten Hubble-Photometern vom März 2007 bekannt gaben. Das Objekt mit einem geschätzten Radius von 520±60 m oder einem Durchmesser von 1040±120 m wurde vom Hubble-Sternverfolgungssystem entdeckt, als es kurzzeitig einen Stern für 0,3 Sekunden bedeckte. In einer weiteren Studie, die im Dezember 2012 veröffentlicht wurde, führten Schlichting et al. eine gründlichere Analyse der archivierten Hubble-Photometrie durch und berichteten über ein weiteres Bedeckungsereignis durch ein Kuiper-Gürtel-Objekt von weniger als einem Kilometer Größe, das auf einen Radius von 530±70 m oder einen Durchmesser von 1060±140 m geschätzt wird. Aus den 2009 und 2012 entdeckten Bedeckungsereignissen ermittelten Schlichting et al. die Steigung der Größenverteilung von Kuiper-Gürtel-Objekten mit q = 3,6 ± 0,2 bzw. q = 3,8 ± 0,2, unter der Annahme eines einfachen Potenzgesetzes und einer gleichmäßigen Verteilung der ekliptikalen Breite. Ihr Ergebnis impliziert ein starkes Defizit an Kuiper-Gürtel-Objekten mit einer Größe von weniger als einem Kilometer im Vergleich zu den Extrapolationen aus der Population größerer Kuiper-Gürtel-Objekte mit Durchmessern über 90 km. ⓘ

Verstreute Objekte

Vergleich der Bahnen von Streuscheibenobjekten (schwarz), klassischen KBOs (blau) und 2:5-Resonanzobjekten (grün). Die Bahnen anderer KBOs sind grau dargestellt (die Bahnachsen wurden zum Vergleich angeglichen). ⓘ

Die Streuscheibe ist eine dünn besiedelte Region, die sich mit dem Kuipergürtel überschneidet, aber bis über 100 AE hinausreicht. Objekte in der Streuscheibe (SDOs) haben sehr elliptische Bahnen, die oft auch stark zur Ekliptik geneigt sind. Die meisten Modelle zur Entstehung des Sonnensystems gehen davon aus, dass sich sowohl KBOs als auch SDOs zunächst in einem ursprünglichen Gürtel bildeten. Spätere gravitative Wechselwirkungen, insbesondere mit Neptun, schickten die Objekte nach außen, einige auf stabile Bahnen (die KBOs) und einige auf instabile Bahnen, die Streuscheiben. Aufgrund ihrer instabilen Natur wird vermutet, dass die Streuscheibe der Ursprung vieler kurzperiodischer Kometen des Sonnensystems ist. Ihre dynamischen Bahnen zwingen sie gelegentlich in das innere Sonnensystem, wo sie zunächst zu Zentauren und dann zu kurzperiodischen Kometen werden. ⓘ

Nach Angaben des Minor Planet Center, das alle transneptunischen Objekte offiziell katalogisiert, ist ein KBO jedes Objekt, das ausschließlich innerhalb der definierten Kuipergürtelregion kreist, unabhängig von seiner Herkunft oder Zusammensetzung. Objekte, die sich außerhalb des Gürtels befinden, werden als Streuobjekte eingestuft. In einigen wissenschaftlichen Kreisen ist der Begriff "Kuipergürtel-Objekt" zum Synonym für jeden eisigen Kleinplaneten des äußeren Sonnensystems geworden, von dem angenommen wird, dass er zu dieser ursprünglichen Klasse gehört, auch wenn seine Umlaufbahn während des größten Teils der Geschichte des Sonnensystems außerhalb des Kuipergürtels lag (z. B. in der Streuscheibenregion). Sie bezeichnen Streuscheibenobjekte oft als "verstreute Kuipergürtelobjekte". Eris, von der bekannt ist, dass sie massereicher als Pluto ist, wird oft als KBO bezeichnet, ist aber eigentlich ein SDO. Ein Konsens unter den Astronomen über die genaue Definition des Kuipergürtels steht noch aus, und diese Frage bleibt ungelöst. ⓘ

Die Zentauren, die normalerweise nicht als Teil des Kuipergürtels betrachtet werden, werden ebenfalls als Streuobjekte angesehen, mit dem einzigen Unterschied, dass sie nach innen und nicht nach außen gestreut wurden. Das Minor Planet Center fasst die Zentauren und die SDOs als verstreute Objekte zusammen. ⓘ

Triton

Neptun's Mond Triton ⓘ

Es wird angenommen, dass Neptun während seiner Wanderungszeit einen großen KBO, Triton, eingefangen hat, der der einzige große Mond im Sonnensystem mit einer retrograden Umlaufbahn ist (er kreist entgegengesetzt zur Rotation des Neptun). Dies deutet darauf hin, dass Triton im Gegensatz zu den großen Monden von Jupiter, Saturn und Uranus, von denen man annimmt, dass sie aus rotierenden Materialscheiben um ihre jungen Mutterplaneten entstanden sind, ein vollständig geformter Körper war, der aus dem umgebenden Raum eingefangen wurde. Das Einfangen eines Objekts durch die Schwerkraft ist nicht einfach: Es bedarf eines Mechanismus, um das Objekt so weit abzubremsen, dass es von der Schwerkraft des größeren Objekts eingefangen wird. Eine mögliche Erklärung ist, dass Triton Teil eines Doppelsterns war, als er auf Neptun traf. (Viele KBOs sind Teil von Doppelsternen, siehe unten.) Ein Ausstoß des anderen Teils des Doppelsterne durch Neptun könnte dann den Einfang von Triton erklären. Triton ist nur 14 % größer als Pluto, und die Spektralanalyse beider Welten zeigt, dass ihre Oberflächen größtenteils aus ähnlichen Materialien bestehen, wie Methan und Kohlenmonoxid. All dies deutet darauf hin, dass Triton einst ein KBO war, der während seiner Wanderung nach außen von Neptun eingefangen wurde. ⓘ

Größte KBOs

Künstlerischer Vergleich von Pluto, Eris, Haumea, Makemake, Gonggong, Quaoar, Sedna, Orcus, Salacia, und der Erde zusammen mit dem Mond

Seit dem Jahr 2000 wurde eine Reihe von KBOs mit Durchmessern zwischen 500 und 1.500 km entdeckt, was mehr als der Hälfte des Durchmessers von Pluto (2370 km) entspricht. 50000 Quaoar, ein klassischer KBO, der 2002 entdeckt wurde, hat einen Durchmesser von über 1 200 km. Makemake und Haumea, die beide am 29. Juli 2005 angekündigt wurden, sind noch größer. Andere Objekte, wie 28978 Ixion (entdeckt 2001) und 20000 Varuna (entdeckt 2000), haben einen Durchmesser von etwa 600-700 km. ⓘ

Pluto

Die Entdeckung dieser großen KBOs auf ähnlichen Umlaufbahnen wie Pluto führte viele zu dem Schluss, dass sich Pluto, abgesehen von seiner relativen Größe, nicht besonders von anderen Mitgliedern des Kuipergürtels unterscheidet. Diese Objekte haben nicht nur eine ähnliche Größe wie Pluto, sondern viele von ihnen haben auch Satelliten und sind von ähnlicher Zusammensetzung (Methan und Kohlenmonoxid wurden sowohl auf Pluto als auch auf den größten KBOs gefunden). So wie Ceres vor der Entdeckung seiner Asteroiden als Planet angesehen wurde, gab es Überlegungen, auch Pluto neu zu klassifizieren. ⓘ

Die Frage wurde durch die Entdeckung von Eris aufgeworfen, einem Objekt in der verstreuten Scheibe weit jenseits des Kuipergürtels, von dem jetzt bekannt ist, dass es 27 % massiver ist als Pluto. (Ursprünglich war man davon ausgegangen, dass Eris vom Volumen her größer ist als Pluto, doch die Mission New Horizons hat dies widerlegt). Daraufhin sah sich die Internationale Astronomische Union (IAU) gezwungen, zum ersten Mal zu definieren, was ein Planet ist, und nahm dabei in ihre Definition auf, dass ein Planet "die Umgebung seiner Bahn verlassen haben muss". Da Pluto seine Umlaufbahn mit vielen anderen großen Objekten teilt, wurde er als nicht frei von seiner Umlaufbahn eingestuft und somit von einem Planeten zu einem Zwergplaneten umklassifiziert, was ihn zu einem Mitglied des Kuipergürtels macht. ⓘ

Obwohl Pluto derzeit der größte bekannte KBO ist, gibt es mindestens ein bekanntes größeres Objekt, das sich derzeit außerhalb des Kuipergürtels befindet und wahrscheinlich aus diesem stammt: Neptuns Mond Triton (der, wie oben erläutert, wahrscheinlich ein eingefangener KBO ist). ⓘ

Es ist nicht klar, wie viele KBOs groß genug sind, um Zwergplaneten zu sein. Angesichts der überraschend geringen Dichte vieler Zwergplanetenkandidaten ist davon auszugehen, dass es nicht viele sind. Orcus, Pluto, Haumea, Quaoar und Makemake werden von den meisten Astronomen akzeptiert; einige haben andere Körper vorgeschlagen, wie Salacia, 2002 MS4, 2002 AW197 und Ixion. ⓘ

Trabanten

Von den sechs größten TNOs (Eris, Pluto, Gonggong, Makemake, Haumea und Quaoar) ist bekannt, dass sie alle Satelliten haben, und zwei von ihnen haben mehr als einen. Ein höherer Prozentsatz der größeren KBOs hat Satelliten als die kleineren Objekte im Kuipergürtel, was darauf hindeutet, dass ein anderer Entstehungsmechanismus dafür verantwortlich war. Im Kuipergürtel gibt es auch eine große Anzahl von Doppelsternen (zwei Objekte, die von der Masse her nahe genug beieinander liegen, um sich gegenseitig zu umkreisen). Das bemerkenswerteste Beispiel ist das Binärsystem Pluto-Charon, aber man schätzt, dass etwa 11 % der KBOs in Binärsystemen existieren. ⓘ

Erforschung

Der KBO 486958 Arrokoth (grüne Kreise), das ausgewählte Ziel für die New Horizons Kuipergürtel-Objektmission ⓘ

Am 19. Januar 2006 wurde die erste Raumsonde zur Erforschung des Kuipergürtels, New Horizons, gestartet, die am 14. Juli 2015 am Pluto vorbeiflog. Über den Vorbeiflug an Pluto hinaus bestand das Ziel der Mission darin, andere, weiter entfernte Objekte im Kuipergürtel zu finden und zu untersuchen. ⓘ

Diagramm mit der Position von 486958 Arrokoth und der Flugbahn für das Rendezvous ⓘ

New Horizons Farbkompositbild von Arrokoth, das seine rote Farbe zeigt, die auf organische Verbindungen hindeutet. Neben Pluto und seinen Satelliten ist Arrokoth der einzige KBO, der bisher von einer Raumsonde besucht wurde. ⓘ

Am 15. Oktober 2014 wurde bekannt, dass Hubble drei potenzielle Ziele entdeckt hatte, die vom New Horizons-Team vorläufig als PT1 ("potenzielles Ziel 1"), PT2 und PT3 bezeichnet wurden. Die Durchmesser der Objekte wurden auf 30-55 km geschätzt; sie sind zu klein, um von Bodenteleskopen gesehen zu werden, und befinden sich in einer Entfernung von 43-44 AE von der Sonne, was die Begegnungen in die Jahre 2018-2019 legen würde. Die anfänglich geschätzten Wahrscheinlichkeiten, dass diese Objekte mit dem Treibstoffbudget von New Horizons erreichbar waren, lagen bei 100 %, 7 % bzw. 97 %. Alle gehörten zum "kalten" klassischen Kuipergürtel (geringe Neigung, niedrige Exzentrizität) und unterschieden sich somit deutlich von Pluto. PT1 (mit der vorläufigen Bezeichnung "1110113Y" auf der HST-Website), das am günstigsten gelegene Objekt, hatte eine Helligkeit von 26,8, einen Durchmesser von 30-45 km und wurde im Januar 2019 entdeckt. Sobald ausreichende Bahninformationen vorlagen, gab das Minor Planet Center den drei Ziel-KBOs offizielle Bezeichnungen: 2014 MU69 (PT1), 2014 OS393 (PT2) und 2014 PN70 (PT3). Im Herbst 2014 wurde ein mögliches viertes Ziel, 2014 MT69, durch Folgebeobachtungen ausgeschlossen. PT2 war bereits vor dem Pluto-Vorbeiflug aus dem Rennen. ⓘ

Am 26. August 2015 wurde das erste Ziel, 2014 MU₆₉ (Spitzname "Ultima Thule" und später 486958 Arrokoth genannt), ausgewählt. Die Kursanpassung fand Ende Oktober und Anfang November 2015 statt, so dass der Vorbeiflug im Januar 2019 stattfinden kann. Am 1. Juli 2016 genehmigte die NASA zusätzliche Mittel für New Horizons, um das Objekt zu besuchen. ⓘ

Am 2. Dezember 2015 entdeckte New Horizons das Objekt mit der damaligen Bezeichnung 1994 JR1 (später 15810 Arawn) aus einer Entfernung von 270 Millionen Kilometern (170×10⁶ Meilen). ⓘ

Am 1. Januar 2019 flog New Horizons erfolgreich an Arrokoth vorbei und lieferte Daten, die zeigten, dass es sich bei Arrokoth um einen 32 km langen und 16 km breiten Doppelstern mit Kontakt handelt. Das Instrument Ralph an Bord von New Horizons bestätigte Arrokoths rote Farbe. Die Daten des Vorbeiflugs werden in den nächsten 20 Monaten weiter heruntergeladen. ⓘ

Es sind keine Nachfolgemissionen für New Horizons geplant, obwohl mindestens zwei Konzepte für Missionen, die in die Umlaufbahn zurückkehren oder auf dem Pluto landen würden, untersucht wurden. Neben Pluto gibt es viele große KBOs, die mit New Horizons nicht besucht werden können, wie die Zwergplaneten Makemake und Haumea. Neue Missionen hätten die Aufgabe, diese Objekte im Detail zu erforschen und zu untersuchen. Thales Alenia Space hat die Logistik einer Orbiter-Mission zu Haumea untersucht. Haumea ist ein wissenschaftliches Ziel mit hoher Priorität, da er der Mutterkörper einer Kollisionsfamilie ist, zu der mehrere andere TNOs sowie Haumeas Ring und zwei Monde gehören. Der Hauptautor, Joel Poncy, hat sich für eine neue Technologie eingesetzt, die es Raumfahrzeugen ermöglichen würde, KBOs in 10-20 Jahren oder weniger zu erreichen und zu umkreisen. Der leitende Forscher von New Horizons, Alan Stern, hat inoffiziell Missionen vorgeschlagen, die vor dem Besuch neuer KBO-Ziele an den Planeten Uranus oder Neptun vorbeifliegen würden, um so die Erforschung des Kuipergürtels voranzutreiben und gleichzeitig diese Eisriesenplaneten zum ersten Mal seit den Vorbeiflügen von Voyager 2 in den 1980er Jahren zu besuchen. ⓘ

Designstudien und Konzeptmissionen

Entwurf für ein fortgeschrittenes Sondenkonzept aus dem Jahr 1999 ⓘ

Quaoar wurde als Vorbeiflugziel für eine Sonde in Betracht gezogen, die das interstellare Medium erforschen soll, da er derzeit in der Nähe der Heliosphärennase liegt. Pontus Brandt vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory und seine Kollegen haben eine Sonde untersucht, die in den 2030er Jahren an Quaoar vorbeifliegen würde, bevor sie durch die Heliosphärennase zum interstellaren Medium weiterfliegt. Zu ihren Interessen an Quaoar gehören seine wahrscheinlich verschwindende Methanatmosphäre und der Kryovulkanismus. Die von Brandt und seinen Kollegen untersuchte Mission würde mit SLS starten und bei einem Vorbeiflug am Jupiter 30 km/s erreichen. Eine 2012 veröffentlichte Studie kam zu dem Schluss, dass Ixion und Huya zu den am besten geeigneten Zielen für eine Orbiter-Mission gehören. So berechneten die Autoren, dass eine Orbiter-Mission Ixion nach 17 Jahren Flugzeit erreichen könnte, wenn sie im Jahr 2039 gestartet würde. ⓘ

Ende der 2010er Jahre erörterten Glen Costigan und Kollegen in einer Designstudie Szenarien für den Orbitalfang und für mehrere Ziele für Objekte im Kuipergürtel. Zu den in dieser Studie untersuchten Kuipergürtelobjekten gehörten 2002 UX25, 1998 WW31 und 47171 Lempo. Eine weitere Studie von Ryan McGranaghan und Kollegen aus dem Jahr 2011 befasste sich mit der Untersuchung der großen transneptunischen Objekte Quaoar, Sedna, Makemake, Haumea und Eris durch Raumfahrzeuge. ⓘ

Bei interstellaren Missionen wurde geprüft, ob ein Vorbeiflug an Objekten des Kuipergürtels Teil der Mission sein könnte. ⓘ

Extrasolare Kuipergürtel

Trümmerscheiben um die Sterne HD 139664 und HD 53143 - schwarzer Kreis von der Kamera, die die Sterne verdeckt, um die Scheiben anzuzeigen. ⓘ

Bis 2006 hatten die Astronomen Staubscheiben um neun andere Sterne als die Sonne aufgelöst, die als Kuipergürtel-ähnliche Strukturen angesehen werden. Sie scheinen in zwei Kategorien zu fallen: breite Gürtel mit Radien von über 50 AE und schmale Gürtel (vorläufig wie der des Sonnensystems) mit Radien zwischen 20 und 30 AE und relativ scharfen Grenzen. Darüber hinaus weisen 15-20 % der sonnenähnlichen Sterne einen beobachteten Infrarotexzess auf, der auf massive Kuipergürtel-ähnliche Strukturen hindeutet. Die meisten bekannten Trümmerscheiben um andere Sterne sind relativ jung, aber die beiden Bilder auf der rechten Seite, die vom Hubble-Weltraumteleskop im Januar 2006 aufgenommen wurden, sind alt genug (etwa 300 Millionen Jahre), um sich in stabilen Konfigurationen festgesetzt zu haben. Das linke Bild ist eine "Draufsicht" auf einen breiten Gürtel, das rechte Bild ist eine "Randansicht" eines schmalen Gürtels. Computersimulationen des Staubes im Kuipergürtel lassen vermuten, dass er, als er jünger war, den schmalen Ringen ähnelte, die man um jüngere Sterne sieht. ⓘ

Extrasolare Gürtel

Kuipergürtelähnliche Staubwolke um Fomalhaut ⓘ

Kuipergürtelähnliche Strukturen scheinen sich auch in anderen Sternensystemen gebildet zu haben. Ein Beispiel ist Fomalhaut, wo ein massereicher Begleiter gefunden wurde, dessen Umlaufbahn innerhalb des Staubgürtels verläuft. ⓘ

Vergleichbare Planeten sind in unserem Sonnensystem nicht zu erwarten; ihre Existenz würde sich durch eine Verschiebung des Gesamtschwerpunkts relativ zur Sonne bemerkbar machen. ⓘ

Zooniverse-Projekt IceHunters

Im Rahmen des Citizen-Science-Projekts IceHunters suchten Freiwillige nach Objekten im Kuiper-Gürtel, um ein Nachfolgeziel für die Raumsonde New Horizons zu finden. Hierzu werteten sie Bilder aus, die aus der Subtraktion von in zeitlichen Abständen aufgenommenen astronomischen Aufnahmen gewonnen wurden. Astronomische Kenntnisse waren für diese Tätigkeit nicht notwendig. ⓘ