In 1930 werd het eerste object in de Kuipergordel ontdekt: Pluto. Het tweede volgde pas in 1992. Sindsdien is het aantal waargenomen objecten voorbij de baan van Neptunus spectaculair gegroeid tot enkele duizenden, waaronder ook vijf dwergplaneten.

Het leidde in 2006 tot veel verontwaardiging: als gevolg van de ontdekking van Haumea, Makemake en Eris die qua diameter vergelijkbaar zijn met Pluto, besloot de Internationale Astronomische Unie (IAU) om Pluto tot dwergplaneet te degraderen. “Eigenlijk is Pluto nooit een planeet geweest”, stelt hoogleraar planetaire astronomie Mike Brown van het California Institute of Technology. Brown en zijn team ontdekten drie dwergplaneten in de Kuipergordel, de zone met ijsachtige objecten voorbij de baan van Neptunus. Dwergplaneten zijn volgens de IAU ronde objecten (in vakjargon: in hydrostatisch evenwicht) die om de zon draaien maar hun baangebied niet hebben ‘schoongeveegd’. “Toen men Pluto ontdekte werd de aard ervan niet begrepen. Astronomen dachten dat het gewoon de negende planeet van ons zonnestelsel was. Nu we de aard wel kennen, kunnen we Pluto classificeren als behorende tot de Kuipergordelobjecten,” zegt Brown.

Kuipergordelobjecten
Daarvan zijn er na de ontdekking van 1992QB1 – het eerst ontdekte Kuipergordelobject na Pluto – vele honderden bijgekomen. Brown schat dat het aantal dat een naam kreeg een slordige 2500 bedraagt. Deze transneptunische objecten (TNO’s), met diameters van enkele tientallen tot honderden kilometers, houden zich op in een gebied dat zich grofweg uitstrekt tussen 30 tot 50 astronomische eenheden (AE) van de zon. Een AE is 150 miljoen km, de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon. Haumea (diameter van 1931 kilometer) en Makemake (1430 kilometer) zijn in respectievelijk 2004 en 2005 ontdekt en in vergelijking tot hun grote broer Pluto (2352 kilometer) een stuk kleiner. Maar toen Brown en zijn team kort daarop Eris ontdekten, werd eventjes gedacht dat deze groter was dan Pluto. De exacte diameter van Eris blijkt achteraf 2326 kilometer te zijn. Hiermee is de laatst ontdekte dwergplaneet een fractie kleiner dan de eerst ontdekte dwergplaneet in de Kuipergordel.

Impressie van de Kuipergordel met enkele dwergplaneten. De gele lijn geeft de baan van de Amerikaanse ruimtesonde New Horizons aan, die in juli 2015 langs Pluto scheerde. Afbeelding: NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute / Alex Parke.

Eris
Eris, vernoemd naar de Griekse godin van onenigheid en strijd, houdt zich op in de buitenregio van de Kuipergordel. Op het verste punt is Eris drie keer verder van de zon verwijderd dan Pluto, op bijna 98 AE. Het perihelium bevindt zich op 38 AE. Hiermee is de baan zeer elliptisch. Het aphelium en perihelium van Pluto zijn op slechts 49 en 29 AE. Pluto’s omlooptijd bedraagt 248 jaar, die van Eris is met 557 jaar ruimschoots het dubbele. Haumea en Makemake hebben omlooptijden van respectievelijk 283 en 310 jaar. Met apheliuma en periheliuma op 35 en 51, en 38 en 73 AE houden de laatstgenoemde dwergplaneten zich gemiddeld schuil in het midden van de Kuipergordel.

De Kuipergordel
Momenteel zijn ongeveer 3100 transneptunische objecten bekend. Op basis van hun baaneigenschappen worden ze als volgt ingedeeld. De klassieke Kuipergordelobjecten draaien in min of meer cirkelvormige banen op een gemiddelde afstand van 40 tot 50 AE rond de zon. Een groot deel van deze objecten bevindt zich in baanresonanties met Neptunus. TNO’s die in dezelfde tijd dat Neptunus 3 banen rond de zon aflegt 2 keer rond de zon draaien (2:3 baanresonantie) staan bekend als Plutino’s. Dwergplaneet Pluto behoort hier ook toe. De klassieke Kuipergordel heeft een vrij scherpe buitenste begrenzing op 50 AE, die samenvalt met een 2:1 baanresonantie met Neptunus. De oorzaak van deze zogeheten Kuiperklif is onbekend. TNO’s in sterk ellipsvormige banen tussen 40 en 100 AE of meer staan bekend als verstrooide schijfobjecten (scattered disc objects, SDO’s). Hun banen maken vaak ook een vrij grote hoek met het eclipticavlak. Eris is een SDO, evenals de recent ontdekte Farout (2018VG18, aphelium op 124,8 AE ) en FarFarout (2018AG37, aphelium op 145 AE). Ongebonden objecten (detached objects) of extreem transnetpunische objecten (ETNO’s) hebben perihelia ver buiten het aphelium van Neptunus. Hun sterk ellipsvormige banen reiken tot op een paar honderd AE van de zon. Hoe de ongebonden objecten in deze banen terecht zijn gekomen, is onduidelijk omdat zij zich ver buiten de zwaartekrachtinvloed van Neptunus bevinden. De in 2003 ontdekte Sedna behoort tot deze categorie.

De dichtheid van de op één na grootste dwergplaneet is overigens 27 procent groter dan die van Pluto en Eris bevat daarom meer rots dan ijs. “Waarom dat zo is, weten we niet”, zegt Brown. “Mogelijk is Eris in de buitenregionen van het zonnestelsel ontstaan en bevatte het aanvankelijk veel meer ijs. Een inslag kan de buitenste ijslaag hebben weggeslagen en uit dat ijs vormde zich de maan Dysnomia (vernoemd naar de dochter van Eris).” De diameter bedraagt zo’n 250 kilometer en Dysnomia draait op een afstand van 37350 kilometer in een cirkelvormige baan in 16 dagen om Eris heen.

Opname van Eris en zijn maan Dysnomia met de Hubble-ruimtetelescoop. Afbeelding: NASA / ESA / M. Brown (Caltech).

Inslagen
Niet alleen Eris, ook Haumea zou door een grote inslag zijn getroffen. “Hierdoor spatten allerlei stukken ijs van Haumea af. Dit zijn de grotere Kuipergordelobjecten die we nu zien,” aldus Brown. “Al die afgespatte stukken ijs zijn manen geworden.” Het gaat om vijftien ijsbrokken. Twee daarvan cirkelen nog altijd om de dwergplaneet heen. Het zijn de maantjes Hi’iaka met een diameter van 310 kilometer, en Namaka (170 kilometer). Ze staan op een afstand van respectievelijk 198 en 91 kilometer, en draaien in respectievelijk 49 en 18 dagen om Haumea heen. Door de zware inslag tolt Haumea in slechts vier uur om zijn as: de snelst gemeten rotatie in ons zonnestelsel. Hierdoor puilt de dwergplaneet uit aan de evenaar. Brown: “Het object ziet eruit als een American football, maar dan eentje waarop is gestaan.” De ontdekker vernoemde het object naar de Hawaiiaanse godin van de vruchtbaarheid en de geboorte. De beide manen zijn vernoemd naar de mythologische dochters van Haumea.

Door zware inslagen verloren Eris en Haumea de buitenste schil van ijs. Brown vermoedt dat beide dwergplaneten bij hun ontstaan gedifferentieerd zijn. Daarbij zakte het zwaardere rotsachtige materiaal naar de kern, terwijl het lichtere ijs een (dikke) korst vormde. Bij Pluto en Makemake is dat nog steeds het geval; zij hadden mogelijk een onderaardse vloeibare oceaan en hebben die misschien nog steeds. “Dat komt door de vrijgekomen kinetische energie bij het ontstaan en door radioactief verval. Hierdoor smolt een gedeelte van het ijs onder de dikke ijskorsten. Maar zeker weten doen we dat niet. Dat ligt eraan hoe warm ze waren bij hun formatie en hoe snel ze zich vormden. Die informatie hebben we niet.” Pluto en waarschijnlijk ook Makemake bestaan voor ongeveer 50 procent uit waterijs. Eris en Haumea bestaan hoofdzakelijk uit rots, waardoor er bij deze dwergplaneten minder kans is op een onderaardse vloeibare oceaan.

Water
Brown vermoedt overigens dat de meeste bolvormige Kuipergordelobjecten met een diameter van 500 à 600 kilometer vloeibaar water onder het oppervlak gehad moeten hebben. “De grotere objecten bestaande uit waterijs hebben vrijwel zeker allemaal onderaardse oceanen gehad. Toen ze afkoelden, barstten ze open en kwam dat waterijs aan de oppervlakte.” Een treffend voorbeeld hiervan is Charon, de grootste van Pluto’s vijf manen. De in 1978 ontdekte satelliet heeft een diameter van ongeveer 1200 kilometer en ziet eruit als een gepofte popcorn die van binnenuit is opengebarsten. Mogelijk heeft Pluto ook een warme start gehad en is het binnenste nog niet volledig afgekoeld. Pluto is immers een stuk groter dan Charon en verliest zijn inwendige warmte daardoor trager. Meerdere kilometerslange breuken in de ijskorst doen vermoeden dat het nog altijd bevriezende water in het binnenste van de dwergplaneet uitzet en rekscheuren veroorzaakt. Een bijkomstige reden is dat Charon mogelijk getijdenkrachten opwekt die de dwergplaneet van binnen masseert. Maar dat is vooral speculatief.

Compositie van Pluto en zijn grootste maan Charon. Opnamen in versterkte kleuren door de ruimtesonde New Horizons. Afbeelding: NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute.

Bolvorm
Wanneer objecten voldoende massa bezitten worden ze onder hun eigen zwaartekracht bolvormig. Ze bereiken dan het zogenoemde hydrostatische evenwicht. Bij ijsachtige objecten wordt dat al bij een diameter van tussen de 200 à 300 kilometer bereikt. Brown: “Die hebben minder massa nodig om bolvormig te zijn. Rotsachtige objecten in de planetoïdengordel hebben meer massa nodig om hydrostatisch evenwicht te bereiken. Dat gebeurt pas bij een doorsnede van 500 à 600 kilometer.” De rotsachtige planetoïden Vesta (diameter 525 kilometer), Pallas (512 kilometer) en Hygiea (434 kilometer) zitten op die magische grens. Ze zijn niet helemaal bolvormig. Ceres met een doorsnede van 950 kilometer is dat wel en is hiermee de enige dwergplaneet in de planetoïdengordel. Maar Ceres is wel kleiner dan Pluto’s maan Charon. Het in 1801 ontdekte object is een halve eeuw lang voor planeet aangezien.
Eén van de criteria voor een dwergplaneet is de bolvormigheid. “Maar dat alleen is niet voldoende”, zegt professor Gonzalo Tancredi, president van de Division Planetary Systems and Astrobiology van de IAU. “Vesta, Pallas en Hygiea zien er dan wel bolvormig uit, je moet ook iets weten van de inwendige condities. We weten eerlijk gezegd ook niet zoveel over het inwendige van Haumea en Makemake, maar deze zijn zo groot dat de theoretische modellen met gemak aantonen dat ze het hydrostatische evenwicht bereikt hebben.” Volgens Tancredi moet de chemische compositie hier ook bij in beschouwing worden genomen. “Naast het verschil tussen ijsachtige Kuipergordelobjecten en rotsachtige objecten in de planetoïdengordel, kennen planetoïden onderling behoorlijke verschillen in samenstelling. Daarom is het lastig om voor deze verschillende objecten hetzelfde criterium te gebruiken.”
Zo hebben Vesta en Pallas planetaire differentiatie ondergaan. Hun inwendige werd zo heet dat er een ijzerkern ontstond met daaromheen een rotsmantel. Tancredi: “Differentiatie is niet alleen voorbehouden aan rotsachtige objecten. Het kan ook optreden tussen ijs en rots. De objecten in de Kuipergordel hebben een andere soort differentiatie ondergaan. Sommige van deze objecten, zoals Pluto, Eris en enkele ijsmanen rondom de gasreuzen, hebben wellicht vloeibare oceanen onder hun ijskorst. Maar in de definitie van een dwergplaneet is niets opgenomen over de aanwezigheid van vloeibare oceanen.” De president van de Division Planetary Systems van de IAU meent dat het ondoenlijk is om de aanwezigheid hiervan een criterium te maken. “Bepalen of een object een oceaan heeft of had is heel lastig. Dit eventuele criterium is gebaseerd op gecompliceerde theoretische modellen en je loopt het gevaar dat het ene model met dezelfde parameters zegt dat een object een oceaan heeft en het andere model niet. Welk model moet je dan geloven?”

Brown vindt het niet interessant om het criterium van een eventueel aanwezige oceaan te hanteren om te bepalen of je een Kuipergordelobject al dan niet een dwergplaneet mag noemen. “En laten we ook niet discussiëren of een object wel of niet bolvormig genoeg is. Dat is niet zo relevant. Zelfs Eris is niet helemaal rond en Pluto heeft equatoriale uitstulpingen. Als je praat over bolvormige dwergplaneten dan telt de Kuipergordel er daar wel 200 tot 300 van.” De term dwergplaneet vindt Brown eigenlijk een betekenisloze kwalificatie. “Ik praat liever over de wetenschap van deze objecten. Dat is pas echt cool!” Wat Brown vooral interessant vindt is het verschil tussen gedifferentieerde en niet-gedifferentieerde objecten. “Dat is juist superbelangrijk.”

“Het grootste Kuipergordelobject is niet Pluto en bevindt zich ook niet in de Kuipergordel”

Ceres en Triton
De kleinste dwergplaneet van ons zonnestelsel, Ceres, is de enige in de planetoïdengordel, maar ontstond mogelijk in de Kuipergordel. Dat beweert althans astronoom Scott Sheppard, verbonden aan het Carnegie Institution for Science in Washington D.C. Hij is de ontdekker van vele nieuwe maantjes om Jupiter en Saturnus en transneptunische objecten ver voorbij de Kuipergordel. “We vermoeden dat Ceres in de regio van de gasreuzen of misschien zelfs in de Kuipergordel is gevormd en later door zwaartekrachtwisselwerking met de reuzenplaneten naar binnen toe is getrokken.” Sheppard stelt dat Ceres rijk aan ijs moet zijn geweest. “Omdat het object zo ver weg van de zon ontstond, warmde het minder op. Hierdoor is Ceres niet gedifferentieerd en bevat het veel meer ijs dan Vesta en Pallas. Maar toen de dwergplaneet naar binnen toe migreerde, verdampte een deel van het ijs. De buitenkant oogt nogal rotsachtig, maar binnenin bevindt zich vermoedelijk nog veel ijs.”

Dwergplaneet Ceres, in ‘echte’ kleuren gefotografeerd door de Amerikaanse ruimtesonde Dawn. Afbeelding: NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA / Justin Cowart.

Het grootste Kuipergordelobject is in tegenstelling tot wat de meesten denken niet Pluto en bevindt zich ook niet in de Kuipergordel. Het is Triton, de grootste maan van Neptunus, ontdekt in 1846. Omdat Triton in tegenstelling tot de dertien overige manen in tegenovergestelde richting om de gasreus cirkelt, vermoedt men dat Triton door de zwaartekracht van Neptunus is ingevangen. Als dit klopt, is Triton tot dusverre de eerste tot maan gedegradeerde dwergplaneet en zonder dat men het toen besefte het op Ceres na eerst ontdekte Kuipergordelobject. De uit hoofdzakelijk waterijs gevormde maan met ijsvulkanen heeft een diameter van 2707 kilometer en is hiermee een flinke slag groter dan de grootste dwergplaneet Pluto (2376 kilometer). Overigens waren Ceres, Haumea en Eris vlak na hun ontstaan ook een flinke slag groter. Laatstgenoemde dwergplaneten zouden kort na hun formatie tot 30 procent meer massa hebben gehad. Na grote inslagen hebben zij veel ijs verloren. Als Haumea en Eris inderdaad groter waren, dan is zeker Eris in het begin groter dan Pluto geweest. Voor zover bekend heeft Pluto geen grote inslag gekend, getuige de aanwezigheid van een dikke ijskorst met hieronder een vermoedelijk nog deels vloeibare oceaan.

De Neptunusmaan Triton, in 1989 gefotografeerd door de Amerikaanse ruimtesonde Voyager 2. Afbeelding: NASA / Jet Propulsion Lab / U.S. Geological Survey.

Manen
Triton mag dan wel het grootste ingevangen object afkomstig uit de Kuipergordel zijn, het is bij lange na niet de enige. Om de gasreuzen Jupiter en Saturnus cirkelen enkele tientallen recentelijk ontdekte ijsmaantjes die waarschijnlijk ook afkomstig zijn uit diezelfde Kuipergordel. “Dat komt door de enorm grote zwaartekrachtvelden van deze planeten,” verklaart ontdekker Sheppard. “Deze manen zijn erg lichtzwak. Daarom heb je de grootste telescopen op aarde nodig om ze te vinden. Er zijn maar een paar van zulke grote telescopen, waarop je schaarse waarneemtijd moet reserveren. Daarom zijn ze nog niet eerder ontdekt.” In die spaarzame tijd heeft Sheppard toch zo’n 100 nieuwe maantjes weten te vinden. 60 daarvan cirkelen om Jupiter en 40 om Saturnus. De grootte van de maantjes om Jupiter bedraagt 5 tot 10 kilometer in doorsnede. “De maantjes van Saturnus staan verder weg. Hierdoor zijn deze iets groter.”
Sheppard vindt de maantjes interessant, omdat ze volgens hem aanwijzingen kunnen geven over de wijze waarop de planeten waar ze omheen cirkelen, zijn ontstaan. “De ruimtesonde Cassini vloog langs één van deze objecten rond Saturnus. Hierdoor denken we dat het later ingevangen Kuipergordelobjecten zijn.” Vandaag de dag kunnen de planeten geen objecten van een dergelijk geringe omvang meer invangen. “Als nu zo’n object in het zwaartekrachtveld van een planeet komt, vliegt het gewoon door. Dat komt omdat de objecten in het huidige zonnestelsel hun bewegingsenergie niet meer kwijt kunnen,” legt de astronoom uit. “Ten tijde van de formatie verloren objecten die langs een planeet scheerden nog voldoende snelheid door de weerstand van aanwezige stofflarden en gassen, zodat ze door de zwaartekracht van de planeet ingevangen konden worden. Ook de zogeheten centaurs, relatief kleine objecten waarvan de banen zich uitstrekken tussen Jupiter en Neptunus, zijn vermoedelijk afkomstig uit de Kuipergordel.”

Meer dwergplaneten
Naast tientallen ingevangen ijsmaantjes, dwergplaneten die al dan niet verdwaald zijn en vele honderden objecten van tientallen tot een paar honderd kilometers doorsnede, zweven er ook nog enkele tientallen andere grote objecten in de Kuipergordel. Sommigen daarvan zijn zo groot dat de ze op de lijst van kandidaat-dwergplaneet staan. Mogelijk dat de IAU enkele in de toekomst promoveert tot dwergplaneet. De grootste van deze objecten zijn door Brown en zijn team ontdekt. Een daarvan is Gonggong uit 2007, met een diameter van 1200 tot 1500 kilometer. Deze kandidaat-dwergplaneet heeft zelfs een maan, Xiangliu genaamd, met een doorsnede van 237 kilometer, die daar op een afstand van 1500 kilometer omheen cirkelt. Ook Sedna, met een diameter van 1180 tot 1800 kilometer, Quaoar (bijna 1100 kilometer) en Orcus (480 kilometer) zijn door Brown tussen 2002 en 2004 ontdekt. Een van de eerst ontdekte kandidaat-dwergplaneten is Varuna uit 2000 met een diameter van 900 tot 1200 kilometer – overigens niet ontdekt door Brown.

Opsporen van Kuipergordelobjecten
De ontdekkingen van de grotere Kuipergordelobjecten zijn gedaan aan de hand van foto’s die zijn gemaakt met behulp van grote telescopen. Zo is Eris niet in 2005, maar eigenlijk twee jaar daarvoor al op 23 oktober 2003 per ongeluk gefotografeerd met de 1,2 meter Samuel Oshin Telescoop op het Mount Palomar Observatory in Californië. Software verwijderde later automatisch uit alle waarnemingen de data van objecten die zich trager dan 1,5 boogseconden per uur verplaatsen. Op deze manier kunnen heldere objecten in de Kuipergordel van zwakke sterren op de achtergrond worden onderscheiden. Brown: “Toen we Sedna ontdekten die 1,6 boogseconden bewoog besefte ik dat er zelfs objecten kunnen zijn die langzamer bewegen dan 1,5 of 1,4 boogseconden. De enige die langzamer bewoog was Eris. Vandaar dat we die enkele jaren later pas aan de hand van die eerder gemaakte foto ontdekten.”

De planetair wetenschapper vermoedt dat er nog meer grote objecten in de Kuipergordel ontdekt zullen worden. “Ik denk dat we de hemel goed hebben afgescand op heldere objecten als Haumea, Makemake, Eris, Orcus en Quaoar. Waarschijnlijk zullen we niet nog meer zulke grote, relatief heldere objecten vinden. Maar het zou me niet verbazen als we nog wel grote donkere objecten ontdekken die verder weg in de Kuipergordel staan.” Het bestaan van de gordel werd al in 1951 door de Amerikaans-Nederlandse astronoom Gerard Kuiper gesuggereerd. Kuiper veronderstelde als eerste dat Pluto uit samenklonterende brokken is ontstaan, en dat er zich nog meerdere van zulke brokken in dat gebied bevinden. Daarin heeft Kuiper een halve eeuw later gelijk gekregen, gezien de spectaculaire groei van het aantal Kuipergordelobjecten.

ZENIT – proefabonnement € 29,95
Dit artikel verscheen eerder in het blad ZENIT. Meer lezen? Word abonnee! In het magazine ZENIT lees je alles over sterrenkunde, ruimteonderzoek, weer en klimaat. Met iedere maand actuele ontwikkelingen uit de wetenschap beschreven door bekende onderzoekers. Neem nu een proefabonnement en ontvang een half jaar Zenit (zes nummers) voor slechts € 29,95. Het proefabonnement stopt automatisch. Meer informatie op ZENITonline.nl!