Пояс Койпера представляет собой дисковидное скопление тел, находящихся за орбитой Нептуна, в области от примерно 30 до 50 астрономических единиц от Солнца. Основу его составляют ледяные и каменистые тела малых размеров, известные как кумулюсные объекты, а также карликовые планеты. Химический состав объектов пояса Койпера отражает условия формирования Солнечной системы в ее внешней части: преобладают соединения воды (H₂O), метана (CH₄), аммиака (NH₃), углекислого газа (CO₂) и других летучих веществ, находящихся в криогенном состоянии. Кроме того, наблюдается наличие комплексных органических соединений — т.н. толуидов, которые придают поверхностям тел характерный красноватый оттенок.
Большинство объектов представляют собой неоднородные агрегаты, состоящие из смеси каменистого материала и льда с включениями органических веществ. Пропорции этих компонентов варьируются в зависимости от расстояния до Солнца, размера объекта и истории воздействия космических лучей, что ведет к различиям в спектральных характеристиках поверхности. Более крупные тела, такие как Плутон, Эрида и Макемаке, демонстрируют гравитационное разделение материалов, где более тяжелые компоненты формируют ядро, а легкие летучие вещества концентрируются на поверхности или в форме ледяной корки.
Орбиты объектов пояса Койпера характеризуются высокой эксцентриситетностью и наклоном к плоскости эклиптики, что связано с историческими взаимодействиями с гигантскими планетами. Внутри пояса выделяют несколько динамических классов: классические объекты, орбиты которых относительно стабильны; резонансные объекты, захваченные орбитальными резонансами с Нептуном (например, Плутоноиды в резонансе 3:2); рассеянные объекты, подвергшиеся гравитационным возмущениям и обладающие сильно вытянутыми орбитами.
Динамическая история пояса Койпера влияет не только на распределение объектов, но и на их поверхностную химическую эволюцию. Интенсивное ультрафиолетовое излучение и космические лучи вызывают радиационное разложение летучих веществ, формируя на поверхности сложные полимеры, известные как тарды или толуиды, которые стабилизируют органический слой и изменяют спектральные свойства тел.
Изучение химического состава объектов пояса Койпера осуществляется с помощью спектроскопии в инфракрасном и видимом диапазоне, что позволяет идентифицировать основные ледяные и органические компоненты поверхности. Интенсивность и профиль поглощения дают информацию о кристаллической форме льдов, наличии аморфных фаз и толщине поверхностного слоя. Спектроскопические наблюдения комбинируются с термодинамическими моделями, описывающими фазовые переходы летучих веществ при низких температурах (30–50 К) и влиянием солнечного и космического излучения на долгосрочную химическую эволюцию.
Кроме дистанционных методов, ключевую роль играют космические миссии. Например, миссия New Horizons предоставила детализированные спектральные данные о Плутоне и Хароне, выявив наличие нитрилов, сложных углеводородов и льдов метана и азота. Эти наблюдения подтверждают теоретические модели формирования объектов пояса Койпера из первичных протопланетных материалов.
Поверхности объектов подвержены космическому и солнечному воздействию, которое вызывает фотохимические реакции и радиационное разрушение летучих соединений. В результате формируются полимерные органические слои, которые могут предотвращать дальнейшее испарение льдов. Внутренние процессы включают тепловое дифференцирование и потенциальное криовулканическое проявление, особенно у более массивных объектов. Такие процессы способствуют миграции летучих веществ из недр к поверхности, создавая локальные концентрированные ледяные или органические области.
Объекты пояса Койпера являются источником короткопериодических комет и планетезимальных тел, которые могут взаимодействовать с внутренними планетами Солнечной системы. Их химический состав отражает примитивный материал Солнечной туманности, и изучение этих тел позволяет реконструировать начальные условия формирования Солнечной системы. Кроме того, разнообразие льдов и органических веществ на поверхности объектов пояса Койпера делает их потенциальными носителями предбиотических компонентов, что имеет значение для понимания происхождения органики в Солнечной системе.