Cinturón de Kuiper: el disco de asteroides que rodea nuestro sistema solar

Entre Marte y Júpiter se despliega una región vasta cubierta de rocas y polvo espacial, le llamamos el Cinturón Principal de Asteroides. Este cinturón alberga a Ceres, el planeta enano más cercano a la Tierra.  Con el descubrimiento de Plutón en 1930, los astrónomos se preguntaban si podían encontrarse más planetas lejanos. La sorpresa llegaría hasta la década de los 90’s, cuando se descubre el primer objeto trans-neptuniano, es decir, una roca espacial orbitando al Sol a una distancia mucho más lejana que Neptuno.

Gerard Kuiper y sus aportaciones científicas

En la actualidad, Kuiper es considerado el padre de la ciencia planetaria moderna. Algunas de sus contribuciones son:¹ predecir que el dióxido de carbono es un componente importante de la atmósfera de Marte, predecir que los anillos de Saturno están compuestos de partículas de hielo y descubrir la quinta luna de Urano a la cual nombró “Miranda”. También propuso que los planetas se habían formado por la condensación de una gran nube de gas alrededor del sol y además predijo cómo sería caminar sobre la superficie de la Luna. Sus afirmaciones de que la superficie lunar sería “como nieve crujiente” fueron confirmadas por el astronauta Neil Armstrong en 1969.

Pero por lo que posiblemente sea más conocido, es debido a su propuesta sobre la existencia de lo que hoy llamamos el Cinturón de Kuiper, una región más allá de la órbita de Neptuno llena de asteroides y que hoy en día sabemos que existe. Esta región rodea la parte más externa de nuestro sistema solar.

El astrónomo Gerard Peter Kuiper nació el 7 de diciembre de 1905 en el pueblo de Harenkarspel, en el norte de Holanda. En 1924, Kuiper comenzó a estudiar en la Universidad de Leiden. En 1927 recibió su Licenciatura en Astronomía y comenzó directamente sus estudios de posgrado, los cuales terminó en 1933 con su tesis doctoral sobre estrellas binarias. En 1937, Kuiper aceptó un puesto en el Observatorio Yerkes de la Universidad de Chicago. En el transcurso de las siguientes décadas, participó en muchos estudios astronómicos e hizo muchos descubrimientos que hicieron avanzar el campo de la ciencia planetaria.

Cinturón de Kuiper: hipótesis de su existencia

La presencia de un cinturón de asteroides en la región externa de nuestro sistema solar no fue evidente sino hasta la segunda mitad del siglo XX. Sin embargo, desde finales de la década de 1940 ya se proponían teorías sobre la existencia de un disco de objetos rocosos más lejos de Neptuno.²

En un artículo publicado en 1951, Kuiper analiza las posibles consecuencias de la formación de un disco de rocas en los inicios de la evolución del Sistema Solar. En ocasiones, una de las rocas de este disco se incursionaba al interior de nuestro Sistema Solar y se convertía en un cometa. Así, la idea de Kuiper sobre esta zona repleta de asteroides explicaba no solo el origen de los cometas sino también por qué no había planetas grandes más allá de Neptuno.³

No fue sino hasta 1980 cuando el astrónomo Julio Fernández publicó un artículo donde expuso que se necesitaría un cinturón de cometas para poder explicar el número de cometas observado en el interior del sistema solar. Según los cálculos de Fernández, este cinturón se encontraría a una distancia de entre 35 y 50 Unidades Astronómicas (UA).⁴ A partir de este artículo, los astrónomos se fueron convenciendo de la existencia de objetos lejanos y el momento de nombrar el nuevo cinturón de asteroides había llegado.

Unidades Astronómicas (UA): una UA equivale aproximadamente a 150 millones de kilómetros, que es la distancia promedio entre la Tierra y el Sol. Así, la Tierra está a 1 UA del Sol, mientras que Neptuno se encuentra a unas 30 UA del Sol.

Dos astrónomos descubren el primer objeto en el cinturón de Kuiper

Pasaría más de una década para que objetos pertenecientes al nuevo cinturón de asteroides se descubrieran. David Jewitt y Jane Luu del MIT (Massachusetts Institute of Technology) se sumergieron en una investigación durante cinco años ayudándose con telescopios en Arizona y Chile. En 1992 reportaron por primera vez un objeto más lejano que Neptuno. Específicamente los autores indican:⁵

“En este artículo informamos sobre el descubrimiento de un nuevo objeto, 1992 QB1, que se desplaza más allá de la órbita de Neptuno. Sugerimos que esto puede representar la primera detección de un miembro del cinturón de Kuiper, la población hipotética de objetos más allá de Neptuno y una posible fuente de los cometas de período corto.”

En la imagen se puede apreciar el objeto 1992 QB1 (encerrado en un círculo amarillo), así como también un objeto del cinturón principal de asteroides (encerrado en un rectángulo rojo). La imagen superior e inferior muestra el mismo campo de visión pero con una diferencia temporal de dos horas y cuatro minutos.

Se puede observar que, mientras que el objeto del cinturón principal de asteroides recorrió en ese tiempo lo que abarca de la esquina inferior derecha (panel de arriba) a la esquina superior derecha (panel de abajo) del campo de visión, 1992 QB1 apenas se movió de manera apreciable (se ve que hay un desplazamiento hacia la izquierda entre su posición en el panel de abajo en comparación con el panel de arriba), lo que indica lo lejos que se encuentra con respecto al cinturón principal de asteroides.

¿Por qué se concluye que este objeto está mucho más lejos (más allá de Neptuno)?

Todo está en la posición angular: imagina que estás mirando por la ventana de tu casa y ves un avión volando. Si lo apuntas con tu dedo podrás seguir su trayectoria y tu brazo se irá moviendo lentamente siguiendo la posición del avión. De pronto un zancudo aparece y comienza a molestarte, por lo que cambias tu objetivo y ahora apuntas al zancudo. Verás que tendrás que mover más rápido tu mano para poder seguir la trayectoria del zancudo (de hecho no siempre es fácil librarse de ellos con una palmada).

La velocidad promedio de un avión está entre los 800 y 900 kilómetros por hora, mientras que un zancudo vuela con una velocidad aproximada de 2 kilómetros por hora. Así, nuestro brazo va cambiando de dirección lentamente siguiendo la posición angular del avión (la inclinación de nuestro brazo va cambiando de ángulo) a pesar de que el avión viaja más rápido que el zancudo. De la misma manera, 1992 QB1 cambia angularmente de derecha a izquierda muy poco (como el avión) en comparación con el objeto del cinturón principal de asteroides (como el zancudo).

Hoy en día el cinturón de Kuiper tiene más de 2,000 objetos catalogados, y sabemos que esto representa tan solo una fracción diminuta de todos los objetos que aún faltan por rastrear en este cinturón.⁶

Propiedades del Cinturón de Kuiper: Tres clases u objetos

Los objetos que componen al cinturón de Kuiper son cuerpos hechos de hielo que contienen metano congelado, amoníaco, agua y dióxido de carbono que rodean las partes internas rocosas. Los objetos del cinturón de Kuiper (usualmente llamados KBO o Kuiper Belt Objects por sus siglas en inglés) se dividen en tres clases dinámicas principales según las características de sus órbitas: objetos clásicos, objetos resonantes y objetos del disco disperso.

• KBO clásicos: tienen órbitas casi circulares que se encuentran a una distancia de entre 40 y 50 UA del Sol. Estos objetos no se ven muy afectados por los planetas grandes, es decir, sus órbitas permanecen prácticamente inalteradas. Son los más numerosos y constituyen la mayor parte de la población del cinturón.
• KBO resonantes: son objetos que están en resonancia orbital con el movimiento medio de Neptuno. Esto quiere decir que periódicamente estos KBO se “sincronizan” con Neptuno en su órbita alrededor del Sol, planeta que causa un efecto gravitacional notorio en estos objetos del cinturón de Kuiper. Por ejemplo, cada tres vueltas que completa Neptuno alrededor del Sol, estos KBO dan dos vueltas. Se dice entonces que tienen una resonancia de 3:2.
• KBO del disco disperso: tienen órbitas que se extienden mucho más allá de 50 UA. La formación de tal estructura del cinturón se debe a las perturbaciones gravitacionales de los planetas, principalmente de Neptuno.

¿Cuánto pesa el Cinturón de Kuiper?

En la actualidad se usan técnicas de aprendizaje de máquinas (Machine Learning en inglés) para clasificar a los KBO.⁷ Mediante estas técnicas se pueden reducir considerablemente los recursos tanto humanos como computacionales para poder identificar diferentes KBO’s observados: de esta forma también se estimó la masa del cinturón de Kuiper. Un reporte actual indica que la masa de este conglomerado rocoso es del orden de 0.0197 veces la masa de la Tierra — es decir, la masa de la Tierra es unas 50 veces mayor que la masa total del cinturón de Kuiper.⁸

De visita en el Cinturón de Kuiper

Como parte de la misión Pioneer 10 de la NASA, el 02 de marzo de 1972 se lanzó la nave Pioneer-F con el objetivo principal de sobrevolar Júpiter por unos 21 meses. Sin embargo, una vez que la nave escapó de la gravedad de Júpiter pudo alejarse cada vez más, lo que hizo que esta misión se extendiera por unos 30 años. Así, el Pioneer-F se convirtió en el primer objeto construido por humanos en ir más allá de Neptuno, cuando cruzó su órbita el 13 de junio de 1983.

La NASA mantuvo contacto con el Pioneer durante más de dos décadas, hasta el 31 de marzo de 1997 cuando se interrumpió la comunicación rutinaria con la sonda por los costos que implicaba. En ese momento la nave espacial se encontraba a 67 UA de la Tierra, es decir, a una distancia que es 67 veces más grande que la distancia entre la Tierra y el Sol.⁹

New Horizons llega a Arrokoth

A diferencia de la misión Pioneer 10, la primera misión con objetivos destinados a visitar los confines del sistema solar fue la misión New Horizons de la NASA, que se propuso sobrevolar Plutón así como también sobrevolar KBO. La nave se lanzó el 19 de enero de 2006 y alcanzó la órbita de Plutón hasta 2015, sobrevolando al planeta enano y sus lunas el 14 de julio de ese año. Más tarde, en 2019 el New Horizons alcanzó el primer objeto trans-neptuniano llamado Arrokoth. Este KBO se convirtió en el primer objeto más lejano estudiado de cerca por una nave.¹⁰

Se puede apreciar en la imagen anterior que este KBO es de color rojizo y está formado por dos lóbulos esféricos, dando una forma parecida a un “muñeco de nieve”. Es el objeto más pequeño observado en el Cinturón de Kuiper, con una longitud aproximada de 35 kilómetros de largo, 20 kilómetros de ancho y 10 kilómetros de espesor.¹¹

Viajes futuros al Cinturón de Kuiper

A parte de Pioneer 10 y New Horizon, no se han enviado más naves a estas regiones distantes de nuestro sistema solar. Sin embargo hay propuestas para volver a explorar Plutón y además sobrevolar diferentes KBO. Recientemente se han presentado las trayectorias de posibles de naves espaciales para viajar al Cinturón de Kuiper y visitar tanto Plutón como 45 KBO entre los años 2025 y 2040.¹² Para alcanzar distancias tan lejanas, las naves enviadas deben usar el campo gravitacional de Júpiter para ser impulsadas más allá de Neptuno. En la propuesta reciente se incluye la posibilidad no solo de trayectorias Tierra-Júpiter-KBO’s, sino también Tierra-Saturno-KBO’s con opción además de sobrevolar Urano y Neptuno en su trayecto. Los autores indican:

“Con una sola asistencia gravitatoria de Júpiter, se puede llegar a los 45 KBO y a Plutón en una misión con una duración máxima de 25 años.”

Las oportunidades para conocer nuestro origen cósmico siguen creciendo y como beneficio de estas misiones espaciales nos quedará no solo el conocimiento de nuestra historia en la Tierra, sino además la tecnología desarrollada en estos proyectos científicos que buscan alcanzar los límites de nuestro sistema solar, y más allá.

1. NASA, “Gerard Kuiper (1905 – 1973)”. ↩︎
2. Matt Williams, “Who was Gerard Kuiper?”, 11 noviembre 2015. ↩︎
3. Gerard P. Kuiper, “On the Origin of the Solar System”, 15 enero 1951. ↩︎
4. Julio A. Fernández, “On the existence of a comet belt beyond Neptune”, 01 octubre 1980. ↩︎
5. David Jewitt y Jane Luu, “Discovery of the candidate Kuiper belt object 1992 QB₁“, 22 abril 1993. ↩︎
6. NASA, “10 Things to Know About the Kuiper Belt”, 14 diciembre 2018. ↩︎
7. Rachel A Smullen y Kathryn Volk, “Machine learning classification of Kuiper belt populations”, 06 julio 2020. ↩︎
8. E. V. Pitjeva y N. P. Pitjev, “Mass of the Kuiper belt”, 11 septiembre 2018. ↩︎
9. NASA, “Pioneer 10”. ↩︎
10. NASA, “10 Things to Know About the Kuiper Belt”, 14 diciembre 2018. ↩︎
11. NASA, “Arrokoth: Facts”. ↩︎
12. Amanda M. Zangari, Tiffany J. Finley, S. Alan Stern y Mark B. Tapley, “Return to the Kuiper Belt: Launch Opportunities from 2025 to 2040”, 20 diciembre 2018. ↩︎