De scattered disk objects, of verstrooide schijfobjecten, behoren tot de meest enigmatische en dynamisch interessante bewoners van de buitenste regionen van ons zonnestelsel. Deze ijzige werelden, die zich bewegen op sterk elliptische en vaak extreem ver uitstrekkende banen, vormen een populatie van objecten die letterlijk zijn "verstrooid" door gravitationele ontmoetingen met de reuzenplaneten. Voor wetenschappers en astronomen bieden deze objecten een fascinerend inzicht in de vroege chaos van het zonnestelsel en de processen die de architectuur van ons planetaire systeem hebben gevormd.
Wat Zijn Scattered Disk Objects?
Scattered disk objects (SDO's) zijn trans-Neptunische objecten die zich kenmerken door extreem excentrische banen met grote periheliumafstanden. In tegenstelling tot de meeste objecten in de Kuipergordel, die relatief cirkelvormige banen volgen op afstanden tussen ongeveer 30 en 50 astronomische eenheden van de zon, bewegen scattered disk objects op banen die hen op hun verste punt honderden of zelfs duizenden astronomische eenheden van de zon kunnen brengen, terwijl ze op hun naaste punt nog steeds relatief dicht bij de baan van Neptunus komen.Het definiërende kenmerk van scattered disk objects is hun perihelium, het punt op hun baan dat het dichtst bij de zon ligt. Voor een object om als een SDO te worden geclassificeerd, moet dit perihelium typisch verder liggen dan ongeveer 30 astronomische eenheden, wat betekent dat deze objecten nooit dichter bij de zon komen dan de baan van Neptunus. Tegelijkertijd hebben ze afeliumafstanden (het verste punt van hun baan) die veel groter zijn, vaak 100, 200 of zelfs meer dan 1000 astronomische eenheden.
Deze objecten zijn voornamelijk samengesteld uit gevroren vluchtige stoffen zoals water, methaan, ammoniak en stikstof, gemengd met rotsmaterialen. Ze zijn overblijfselen uit de vroege geschiedenis van het zonnestelsel, primitieve lichamen die grotendeels onveranderd zijn gebleven sinds hun vorming meer dan 4,5 miljard jaar geleden. Hun samenstelling en eigenschappen bieden een venster op de omstandigheden in de buitenste regionen van de protoplanetaire schijf waaruit ons zonnestelsel ontstond. De scattered disk is niet te verwarren met de klassieke Kuipergordel, hoewel beide populaties zich in dezelfde algemene regio van het zonnestelsel bevinden. Objecten in de klassieke Kuipergordel bewegen op relatief stabiele, bijna-cirkelvormige banen die hen in de loop van miljarden jaren nauwelijks zijn veranderd. Scattered disk objects daarentegen hebben een gewelddadig verleden: hun extreme banen zijn het resultaat van krachtige gravitationele interacties die hen uit hun oorspronkelijke locaties hebben geslingerd.
Orbitale kenmerken
De banen van scattered disk objects worden gekarakteriseerd door hoge excentriciteiten, typisch groter dan 0,2 en vaak 0,5 of hoger. Ter vergelijking: de aarde heeft een excentriciteit van slechts 0,017, wat betekent dat haar baan bijna perfect cirkelvormig is. Een excentriciteit van 0,5 betekent dat de afstand van het object tot de zon varieert met een factor drie tussen perihelium en afelium.Deze extreme ellipsen resulteren in omlooptijden die variëren van enkele honderden tot tienduizenden jaren. Eris, een van de grootste bekende scattered disk objects, heeft bijvoorbeeld een omlooptijd van ongeveer 558 jaar en beweegt tussen 38 en 98 astronomische eenheden van de zon. Sedna, een nog extremer voorbeeld dat soms wordt beschouwd als een inner Oort cloud object in plaats van een typisch SDO, heeft een omlooptijd van ongeveer 11.400 jaar en reikt tot bijna 1000 astronomische eenheden van de zon op zijn verste punt.
De inclinaties van scattered disk objects variëren ook aanzienlijk. Terwijl de meeste planeten in ons zonnestelsel zich in of nabij het ecliptische vlak bevinden, het vlak waarin de aarde om de zon draait, kunnen SDO's inclinaties hebben van tientallen graden. Eris heeft bijvoorbeeld een inclinatie van ongeveer 44 graden ten opzichte van de ecliptica, wat betekent dat zijn baan sterk gekanteld is ten opzichte van de planetaire banen.Deze orbitale eigenschappen zijn niet willekeurig maar het directe gevolg van gravitationele interacties met Neptunus en, in mindere mate, met Uranus. Wanneer een object uit de vroege Kuipergordel te dicht bij Neptunus kwam, kon de zwaartekracht van deze reuzenplaneet de baan van het kleinere object drastisch veranderen. Afhankelijk van de specifieke geometrie van de ontmoeting kon het object worden versneld naar een baan met een veel groter afelium, worden afgeremd en dichter naar de zon geslingerd, of zelfs volledig uit het zonnestelsel worden geworpen.
De scattered disk is dynamisch actief in de zin dat objecten nog steeds kunnen worden beïnvloed door Neptunus wanneer ze op hun perihelium komen. Dit betekent dat de banen van SDO's geleidelijk kunnen evolueren over tijdschalen van miljoenen jaren. Sommige objecten kunnen uiteindelijk dichterbij Neptunus komen en opnieuw worden verstrooid, mogelijk naar nog extremere banen of zelfs naar het binnenste zonnestelsel, waar ze kortstondige kometen kunnen worden. Andere kunnen geleidelijk hun energie verliezen en stabiliseren in meer cirkelvormige banen in de Kuipergordel.
Hoe werden SDO's ontdekt?
De ontdekking van scattered disk objects begon in de jaren negentig, parallel met de ontdekking van de Kuipergordel zelf. Het eerste object dat we nu zouden classificeren als een SDO was 1996 TL66, ontdekt door astronomen aan het Mauna Kea Observatory in Hawaï. Met een perihelium van 35 astronomische eenheden en een afelium van ongeveer 84 astronomische eenheden vertoonde dit object de karakteristieke sterk elliptische baan die typerend is voor scattered disk objects. De ontdekking die het meeste aandacht trok en ons begrip van de buitenste zonnestelsel fundamenteel veranderde, was die van Eris in januari 2005 door een team onder leiding van Mike Brown van Caltech. Eris werd aanvankelijk aangeduid als 2003 UB313 en kreeg de bijnaam "Xena" voordat het zijn officiële naam kreeg. Met een diameter van ongeveer 2.326 kilometer is Eris iets kleiner dan Pluto maar zwaarder, wat het tot een van de meest massieve bekende dwergplaneten maakt.
De ontdekking van Eris was revolutionair omdat het groter leek dan Pluto, wat directe vragen opwierp over de definitie van een planeet. Als Eris een planeet was, dan zouden er mogelijk tientallen of honderden andere "planeten" in de buitenste regionen van het zonnestelsel kunnen zijn. Als Eris geen planeet was, waarom zou Pluto dat dan wel zijn? Deze debatten culmineerden in de beroemde beslissing van de Internationale Astronomische Unie in augustus 2006 om een formele definitie van een planeet vast te stellen, waarbij Pluto werd gedegradeerd tot de nieuw gecreëerde categorie van dwergplaneten. Sedna, ontdekt in november 2003 door hetzelfde team dat Eris zou vinden, vertegenwoordigt een nog extremer geval. Met een perihelium van ongeveer 76 astronomische eenheden komt Sedna nooit dichtbij Neptunus, wat betekent dat het niet op dezelfde manier kon zijn verstrooid als typische SDO's. Zijn enorme baan, die zich uitstrekt tot bijna 1000 astronomische eenheden, suggereert dat Sedna mogelijk werd beïnvloed door een andere ster tijdens een nabije passage in het vroege zonnestelsel, of dat het behoort tot een binnenste populatie van de Oort cloud.
Andere opmerkelijke scattered disk objects zijn 2007 OR10 (ook wel Gonggong genoemd), een van de grootste bekende trans-Neptunische objecten met een diameter van ongeveer 1.230 kilometer; 2002 TC302, een van de roodste bekende objecten in het zonnestelsel, wat suggereert dat het een oppervlak heeft dat rijk is aan organische verbindingen; en 2012 VP113, met een perihelium van 80 astronomische eenheden, wat het plaatst in een nog afgelegener regio dan Sedna. Het is belangrijk op te merken dat onze kennis van scattered disk objects sterk bevooroordeeld is naar objecten met relatief kleine afeliumafstanden. Objecten die momenteel zich bevinden op hun afelium op honderden astronomische eenheden afstand zijn simpelweg te zwak om te detecteren met huidige telescopen. Dit betekent dat de scattered disk waarschijnlijk een veel grotere populatie bevat dan we tot nu toe hebben waargenomen, met mogelijk duizenden objecten vergelijkbaar in grootte met Pluto of Eris die nog moeten worden ontdekt.
Waar komen deze objecten vandaag?
Het huidige begrip is dat scattered disk objects oorspronkelijk werden gevormd in dezelfde regio als de reuzenplaneten, waarschijnlijk tussen de banen van wat nu Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus zijn. In het vroege zonnestelsel, toen de planeten nog aan het groeien waren en de protoplanetaire schijf nog vol was met planetesimalen (kleine bouwstenen van planeten), was deze regio een overbevolkte en chaotische omgeving. Volgens het Nice-model, een invloedrijk scenario voor de vroege evolutie van het zonnestelsel ontwikkeld door astronomen in Nice, Frankrijk, begonnen de reuzenplaneten op meer compacte banen dan waar ze nu zijn. Ongeveer 500 miljoen tot een miljard jaar na de vorming van het zonnestelsel ondergingen de reuzenplaneten een periode van orbitale instabiliteit. Jupiter bewoog enigszins naar binnen, terwijl Saturnus, Uranus en Neptunus naar buiten migreerden.
Deze migratie had dramatische gevolgen voor de kleinere objecten in het buitenste zonnestelsel. Neptunus in het bijzonder, terwijl het naar buiten bewoog, botste op een dichte populatie van ijzige planetesimalen. Veel van deze objecten werden door Neptunus' zwaartekracht naar binnen geslingerd, waar ze de binnenste planeten bombardeerden in wat bekend staat als het Late Heavy Bombardment, een periode van intense impacten die eindde ongeveer 3,8 miljard jaar geleden. Andere objecten werden naar buiten verstrooid naar extreme banen, waar ze nu de scattered disk vormen. Een klein aantal objecten had het "geluk" om op precies de juiste manier te worden verstrooid: hard genoeg om op een baan te worden geplaatst met een groot afelium, maar niet zo hard dat ze volledig uit het zonnestelsel werden geworpen. Deze objecten zijn de scattered disk objects die we vandaag waarnemen. Hun banen zijn letterlijk fossielen van deze oude gravitationele ontmoetingen, bevroren in de tijd over miljarden jaren.
De scattered disk is niet statisch maar evolueert voortdurend, zij het langzaam. Objecten in de scattered disk kunnen nog steeds ontmoetingen hebben met Neptunus wanneer hun banen hen terug naar het binnenste zonnestelsel brengen. Sommige van deze ontmoetingen kunnen de banen van de objecten verder veranderen, ze naar nog extremere orbits verstroien of ze zelfs stabiliseren in de klassieke Kuipergordel. Andere objecten kunnen worden geslingerd naar banen die hen dichter bij de zon brengen, waar ze uiteindelijk actief worden als centauren (objecten die tussen Jupiter en Neptunus kruisen) of als Jupiter-familie kometen. Er is ook een geleidelijke lekkage van objecten uit de scattered disk naar de Oort cloud, een sferische wolk van ijzige objecten die het zonnestelsel omringt op afstanden van duizenden tot tienduizenden astronomische eenheden. Objecten die worden verstrooid naar zeer grote afeliumafstanden kunnen onder invloed komen van de getijdekrachten van de melkweg en nabije sterren, die hun perihelia kunnen veranderen en ze effectief van de scattered disk naar de Oort cloud kunnen verplaatsen.
