Vėliau sekė vis daugiau atradimų, tarp kurių buvo ir už Plutoną masyvesnė (bet truputį mažesnė) Eridė. Būtent ji buvo viena iš pagrindinių priežasčių, paskatinusių Tarptautinę astronomų sąjungą peržiūrėti planetos apibrėžimą, įvesti nykštukinės planetos kategoriją ir „pažeminti“ Plutoną 2005 metais.
Ar tikrai tai buvo pažeminimas? Iš mažiausios planetos Plutonas staiga tapo didžiausia nykštukine planeta ir didžiausiu Kuiperio žiedo objektu. Kuiperio žiedas pavadintas olandų kilmės JAV astronomo Gerardo Kuiperio (dažnai lietuvinama Koiperio, nors pagal tarimą artimiau būtų Kaiperio) garbei. Būtent jis dar 1951 metais numatė, kad Saulės sistemos pakraštyje gali egzistuoti nuolaužų telkinys, panašus į Asteroidų žiedą.
Tiesa, nebuvo pirmasis: kartais žiedas vadinamas Kuiperio-Edgewortho, nes britas Kennethas Edgeworthas apie tokią galimybę rašė 1943-aisiais. Vėliau hipotezė buvo detalizuojama, galimos žiedo savybės numatomos vis detaliau. Pavyzdžiui, 1980 metais urugvajietis Julio Angelis Fernandezas iškėlė mintį, kad toks žiedas galėtų būti trumpo periodo kometų šaltinis. Apie kometas parašysiu kitą kartą, o dabar kviečiu susipažinti su Kuiperio žiedu, jo kilme ir struktūra.
Nuo 1992-ųjų, kai atrastas Albionas, žinomų Kuiperio žiedo objektų populiacija pasipildė keliais tūkstančiais narių. Nors jie juda labai lėtai, visgi galime apskaičiuoti orbitas ir susidaryti vaizdą, kaip jie pasiskirstę. Geriausiai pasiskirstymas matosi, pažymėjus orbitų didžiuosius pusašius. Jei orbita apskritiminė, didysis pusašis lygus jos spinduliui, tačiau daugumos Kuiperio žiedo objektų orbitos gerokai ištęstos; tada didysis pusašis yra vidurkis tarp didžiausio ir mažiausio atstumų nuo Saulės.
Pagal šį parametrą skiriamos kelios objektų grupės: vienų didysis pusašis beveik lygus Plutono, kitų – 20% didesnis, dar didelės grupės – tarpinis tarp šių. Pirmoji grupė vadinama plutinais; jų orbitą lemia rezonansas su Neptūnu: kaip ir Plutonas, jie du ratus aplink Saulę apsuka per tiek pat laiko, kiek Neptūnui užtrunka apsukti tris (toks rezonansas žymimas 2:3), o nuo Saulės nutolę vidutiniškai apie 40 astronominių vienetų (vidutinių atstumų tarp Žemės ir Saulės). Antroji grupė yra „dutinai“ (angl. twotinos), juos irgi valdo Neptūno gravitacija, tik rezonansas yra ne 2:3, o 1:2 – dutinų metai dvigubai ilgesni, nei Neptūno, o atstumas – 55 astronominiai vienetai.
Abi kartu šios grupės, bei kelios kitos, menkesnės, vadinamos rezonuojančiu disku arba rezonuojančia populiacija. Į tarpą tarp plutinų ir dutinų driekiasi „klasikinis“ Kuiperio žiedas, kurio objektų orbitos labai įvairios. Dar toliau, pradedant 60 AU, gali egzistuoti dar vienas orbitų sutankėjimas, tarsi antrasis žiedas. Kiek iš viso objektų sudaro šias populiacijas – nežinia; kai kuriais vertinimais vien 100 kilometrų ir didesnių kūnų gali būti dešimtys tūkstančių; palyginimui, tokio dydžio asteroidų centrinėje Saulės sistemos dalyje yra vos keli šimtai.
Dar viena objektų grupė, kartais priskiriama Kuiperio žiedui, yra išsklaidytasis diskas. Tai objektai, kurių orbitos tokios ištęstos, kad jie prie Saulės kartais priartėja taip arti, kaip Neptūnas, tačiau nėra rezonanse su juo. Rezonanse esantys objektai, pavyzdžiui tas pats Plutonas, gali reguliariai kirsti Neptūno orbitą, bet visada tą daro pakankamai toli nuo planetos, kad orbita labai nepasikeistų. Išsklaidytojo disko kūnai gali priartėti labai arti Neptūno; tada jų orbita staigiai pakinta. Greičiausiai tai ir yra orbitų išsitempimo priežastis.
Be to, manoma, kad bent dalies kentaurų – asteroidų, randamų tarp Jupiterio ir Neptūno orbitų – kilmė tokia pati, tik sąveika su Neptūnu juos nusviedė arčiau Saulės. Visgi, kaip rašiau aukščiau, išsklaidytasis diskas tik kartais priskiriamas žiedui, o dažniau laikomas atskira populiacija. Bendras terminas tiek jam, tiek žiedui, tiek kitiems tolimiems kūnams yra „Trans-neptūniniai objektai“, nes jų visų orbitos driekiasi už Neptūno orbitos.
Iš kur visi šie Kuiperio žiedo kūnai atsirado? Kaip šiuo metu jau gerai žinome, planetos formuojasi iš protoplanetinių diskų. Tokį diską turėjo ir Saulė, jį sudarė dujos ir dulkės. Dulkės po truputį kaupėsi į vis didesnius junginius, virto uolienomis ir planetomis. Apie Saulės protoplanetinį diską ir planetas rašiau prieš porą metų. Dar seniau rašiau apie kitą svarbų procesą – planetų migraciją. Būtent ji ir atsakinga už Kuiperio žiedo egzistavimą.
Pagal dabartinį Saulės sistemos formavimosi scenarijų, vadinamą Nicos modeliu, visos keturios didžiosios planetos susiformavo arčiau Saulės, nei yra dabar, nes dabartiniu atstumu tiesiog nebuvo pakankamai protoplanetinio disko medžiagos. Susiformavusios planetos ėmė migruoti; iš pradžių procesas vyko lėtai, kol Jupiteris ir Saturnas pateko į 1:2 rezonansą. Bendras dviejų didžiausių planetų poveikis nusviedė Uraną ir Neptūną tolyn, į ištęstas orbitas.
Dabar manoma, kad tarp jų galėjo būti dar viena planeta, kurią sąveikos galiausiai visiškai išmetė iš Saulės sistemos. Urano ir Neptūno orbitos vėliau suapvalėjo. Bet iki to Neptūnas spėjo išsvaidyti daugybę mažesnių kūnų, buvusių išorinėje protoplanetinio disko dalyje. Greičiausiai pradinis diskas tęsėsi nedaug už dabartinės Neptūno orbitos; jei būtų buvę kitaip, Neptūnas būtų numigravęs toliau. Planetos gravitacija įvairius kūnus išstūmė tolyn. Kai kurie jų pateko į 2:3 ar 1:2 rezonansus su tuo pačiu Neptūnu ir ten pasiliko iki šių dienų; kiti liko į tarpą tarp šių orbitų. Dar kiti išlėkė į tolimesnes orbitas, bet pastarosios nesuapvalėjo – atsirado išsklaidytasis diskas.
Aukščiau aprašytas scenarijus paaiškina ir tai, kodėl Kuiperio žiedo kūnai labai domina mokslininkus. Jei tai tikrai yra Saulės sistemos formavimosi nuolaužos, jas tyrinėdami galime susidaryti vis platesnį ir detalesnį vaizdą apie visos sistemos formavimąsi. Nors mūsų planeta formavosi gerokai arčiau Saulės, nei didžiosios, Kuiperio žiedo objektų prigimtis gali būti ta pati, kaip asteroidų ir kometų, atnešusių į Žemę didžiąją dalį vandens.
Kol kas Kuiperio žiedas ištirtas labai menkai – čia švelniai tariant. Tie keli tūkstančiai žinomų objektų neabejotinai sudaro tik mažytę dalelę visų ten esančių. Įdomu, kad labai mažų kūnų, mažesnių nei kilometro ar dviejų skersmens, ten palyginus nedaug. Tokią išvadą mokslininkai padarė skaičiuodami kraterius Plutono paviršiuje – iš jų dydžių pasiskirstymo galima įvertinti, kokio dydžio kūnai krito į Plutoną per visus puspenkto milijardo metų.
Tokią išvadą sustiprina ir visai naujas atradimas, jog Arokotas – mažas kūnas, pro kurį 2019 metais praskrido New Horizons – greičiausiai susiformavo iš keliolikos uolienų, kurių kiekvienos skersmuo buvo maždaug penki kilometrai. Ar tai reiškia, kad protoplanetiniuose diskuose uolienos susikondensuoja iš dulkių iškart keleto kilometrų skersmens, o ne tolygiai išauga iš mažesnių? Galbūt.
Atsakymas į šį klausimą greičiausiai išspręstų ir planetų formavimosi modelių problemą, vadinamą „metro barjeru“. Iš tiesų tai net kelios problemos, pasireiškiančios maždaug metro dydžio kūnams protoplanetiniuose diskuose. Jų susidūrimai, priešingai nei dulkių ar masyvių kūnų, labiau linkę suskaldyti objektus, o ne sujungti į didesnius; net ir nesuskaldyti kūnai greičiau atšoks vienas nuo kito, o ne sukibs; be to, tokio dydžio objektai jaučia stipriausią dujų pasipriešinimą ir yra linkę kristi žvaigždės link.
Taigi dulkėms tolygiai augti nuo mikroskopinių iki kilometrinių dydžių sudėtinga. Alternatyvūs paaiškinimai, pavyzdžiui dulkių kaupimasis debesėliuose, kurie tiesiai kolapsuoja į kilometrinius ar didesnius kūnus, problemą išsprendžia. Patikrinti tokią hipotezę, nagrinėjant Asteroidų žiedo kūnus, sudėtinga, nes per puspenkto milijardo metų jie patyrė daugybę susidūrimų, dėl kurių galėjo reikšmingai išaugti mažesnių nuolaužų kiekiai. Kuiperio žiede susidūrimų mažiau, nes judėjimas ten lėtesnis, o vietos – daugiau. Taigi duomenys apie Saulės sistemos pakraščius padės patikrinti ir šį modelį, svarbų visai Saulės sistemai, taigi ir Žemės formavimuisi.
Tiesa, gali būti, kad Kuiperio žiede esama priklydėlių iš kitų planetinių sistemų. Pluto vidutinis orbitinis greitis tėra apie puspenkto kilometro per sekundę, penkis-šešis kartus mažesnis, nei Žemės. Tolimesnių žiedo objektų – dar mažesnis. Šie greičiai palyginami su tipine žvaigždžių greičių dispersija spiečiuose. Toks panašumas svarbus, nes Saulė irgi formavosi spiečiuje, nors ir nedideliame. Šiuo metu artimiausia Saulei žvaigždė nutolusi 1,3 parseko, bet jaunystėje tokiu atstumu Saulė turėjo šimtus kaimynių. Viena kitos atžvilgiu jos judėjo greičiais, panašiais į dabartinius Kuiperio žiedo objektų greičius.
Jei Kuiperio žiedas formavosi anksčiau, nei Saulės gimtasis spiečius išsisklaidė, kaimyninės žvaigždės galėjo lengvai pasivogti dalį į šalis svaidomų kūnų. Lygiai taip pat ir Saulė galėjo pasivogti kūnų iš kaimynių. Ir vėlesniais laikais pro šalį skrendantys kūnai galėjo tapti Saulės sistemos dalimi, ypač jos pakraščiuose. Kiek tokių objektų galėtų būti, kol kas pasakyti praktiškai neįmanoma. Kai kuriais vertinimais, vien tarp Jupiterio ir Neptūno orbitų jų gali skrajoti tūkstančiai, tad Kuiperio žiede – gal ir milijonai. Bet aptikti, o juo labiau – atskirti nuo vietinių bus labai sudėtinga.
Ypatingai įdomu būtų, jei paaiškėtų, kad nevietinės kilmės yra kuri nors nykštukinė planeta. Tokių Kuiperio žiede yra bent keletas: Plutonas, Orkusas, Haumėja, Kvavaras ir Makemakė. Išsklaidytajame žiede dar skrieja Eridė ir Gongongas, o dar toliau – Sedna. Greta šių aštuonių, yra dar bent keletas kūnų, kurių dydžiai turėtų būti pakankami, kad pasiektų daugmaž apvalią formą ir galėtų būti vadinami nykštukinėmis planetomis; visgi dėl jų identifikavimo bendro sutarimo nėra. Nykštukines planetas surašiau orbitinio periodo didėjimo tvarka: Plutono ir Orkuso jis maždaug 250 metų, o Sednos – virš 11 tūkstančių.
Praktiškai nei vieno jų atveju negalime vienareikšmiškai teigti, kad kūnas susiformavo Saulės sistemoje ar kad buvo pagautas iš kitur. Aišku, Plutonas ir Orkusas daug labiau tikėtini „vietiniai“, o Sedna labiau tikėtina „priklydėlė“.
Bet kuriuo atveju, šiuos objektus stebėti ir tyrinėti daug lengviau, nei mažesnius, taigi ir šansų išsiaiškinti jų kilmę turime daugiau. O tada būtų galima planuoti ir misiją – net ir iki Sednos, kuri šiuo metu kaip tik yra beveik artimiausiame Saulei orbitos taške, būtų įmanoma nuskristi per mažiau nei 30 metų. Galimybė „prisiliesti“ prie dangaus kūno, gyvenimą pradėjusio kitos žvaigždės prieglobstyje, tikrai verta tokio ilgalaikio pasišventimo.
Galiausiai, kažkur ten pakraštyje gali egzistuoti ir didelė planeta, masyvesnė net už Žemę. Hipotetinė devintoji planeta, apie kurios egzistavimą sprendžiama iš kai kurių mažųjų Kuiperio žiedo objektų orbitų, kol kas neatrasta, nepaisant jau septynerius metus trunkančių paieškų. Apie paieškas rašiau, kai idėja dar buvo daug šviežesnė. Gal ji atrasta ir nebus – keistas orbitas paaiškinti įmanoma ir kitaip, o masyvus kūnas nebūtinai turi būti planeta, gali būti net ir pirmykštė juodoji skylė. Kaip bebūtų, tai dar vienas įrodymas, kad Kuiperio žiedas tebeturi gausybę paslapčių.
Paskutinėse dviejose pastraipose jau išėjau gerokai už Kuiperio žiedo – tiek klasikinio, tiek apimančio išsklaidytąjį diską – ribų. Šiek tiek už klasikinio žiedo, maždaug 90 kartų toliau, nei Žemė nuo Saulės arba trigubai toliau, nei Neptūnas, driekiasi heliopauzė – Saulės formuojamo heliosferos burbulo riba. Bet ir už jos Saulės gravitacijos įtaka dar juntama, nors tolydžio vis silpsta. Manoma, kad ji išlaiko ne tik Sedną ar Devintąją planetą, bet ir trilijonus mažų ledo ir dulkių gumulų. Kartais jie pasuka į centrinę sistemos dalį ir tampa kometomis.
Kitas VU doc. Kastyčio Zubovo įžvalgas ir tekstus rasite ČIA.