Im 18.Jahrhundert führten Beobachtungen aller bekannten Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn) dazu, dass Astronomen ein Muster in ihren Umlaufbahnen erkannten. Dies führte schließlich zum Titius–Bode-Gesetz, das den Raum zwischen den Planeten vorhersagte. In Übereinstimmung mit diesem Gesetz schien es eine erkennbare Lücke zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter zu geben, und die Untersuchung führte zu einer großen Entdeckung.
Zusätzlich zu mehreren größeren Objekten, die beobachtet wurden, bemerkten Astronomen unzählige kleinere Körper, die auch zwischen Mars und Jupiter umkreisten. Dies führte zur Schaffung des Begriffs „Asteroid“, sowie „Asteroidengürtel“, sobald klar wurde, wie viele es waren. Seit dieser Zeit ist der Begriff in den allgemeinen Sprachgebrauch eingetreten und zu einer tragenden Säule unserer astronomischen Modelle geworden.
Entdeckung:
In der Hoffnung, das durch das Titius-Bode-Gesetz verursachte Problem zu lösen, rekrutierte der Astronom Baron Franz Xaver von Zach 1800 24 seiner Astronomenkollegen in einem Club, der als „United Astronomical Society“ (manchmal auch als „Stellar Police“ bezeichnet) bekannt ist. Zu dieser Zeit gehörte der berühmte Astronom William Herschel, der Uranus und seine Monde in den 1780er Jahren entdeckt hatte.
Ironischerweise war der erste Astronom, der eine Entdeckung in diesem Bereich machte, Giuseppe Piazzi – der Lehrstuhl für Astronomie an der Universität von Palermo -, der gebeten worden war, der Gesellschaft beizutreten, aber die Einladung noch nicht erhalten hatte. Am 1. Januar 1801 beobachtete Piazzi ein winziges Objekt in einer Umlaufbahn mit dem genauen Radius, der durch das Titius-Bode-Gesetz vorhergesagt wurde.
Anfangs glaubte er, dass es sich um einen Kometen handelte, aber laufende Beobachtungen zeigten, dass er kein Koma hatte. Dies veranlasste Piazzi zu der Annahme, dass das gefundene Objekt, das er nach der römischen Göttin der Ernte und Schutzpatronin Siziliens „Ceres“ nannte, tatsächlich ein Planet sein könnte. Fünfzehn Monate später entdeckte Heinrich Olbers ( ein Mitglied der Gesellschaft) ein zweites Objekt in derselben Region, das später 2 Pallas genannt wurde.
Im Aussehen schienen diese Objekte nicht von Sternen zu unterscheiden. Selbst unter den höchsten Teleskopvergrößerungen lösten sie sich nicht in Scheiben auf. Ihre schnelle Bewegung deutete jedoch auf eine gemeinsame Umlaufbahn hin. Daher schlug William Herschel vor, sie in eine separate Kategorie namens „Asteroiden“ einzuordnen – griechisch für „sternähnlich“.
Bis 1807 ergaben weitere Untersuchungen zwei neue Objekte in der Region, 3 Juno und 4 Vesta; und bis 1845 wurde 5 Astraea gefunden. Kurz darauf wurden neue Objekte mit einer beschleunigten Rate gefunden, und in den frühen 1850er Jahren kam der Begriff „Asteroiden“ allmählich in den allgemeinen Gebrauch. So auch der Begriff „Asteroidengürtel“, obwohl unklar ist, wer diesen Begriff geprägt hat. Der Begriff „Hauptgürtel“ wird jedoch häufig verwendet, um ihn vom Kuipergürtel zu unterscheiden.
Bis Mitte 1868 waren einhundert Asteroiden lokalisiert, und 1891 beschleunigte die Einführung der Astrofotografie durch Max Wolf die Entdeckungsrate noch weiter. Insgesamt wurden 1.000 Asteroiden bis 1921, 10.000 bis 1981 und 100.000 bis 2000 gefunden. Moderne Asteroiden-Vermessungssysteme verwenden jetzt automatisierte Mittel, um neue Kleinplaneten in immer größeren Mengen zu lokalisieren.
Struktur:
Trotz allgemeiner Wahrnehmung ist der Asteroidengürtel größtenteils leerer Raum, wobei sich die Asteroiden über ein großes Raumvolumen ausbreiten. Dennoch sind derzeit Hunderttausende von Asteroiden bekannt, und die Gesamtzahl reicht in die Millionen oder mehr. Es ist bekannt, dass über 200 Asteroiden einen Durchmesser von mehr als 100 km haben, und eine Untersuchung im Infrarotbereich hat gezeigt, dass der Asteroidengürtel 0,7 bis 1,7 Millionen Asteroiden mit einem Durchmesser von 1 km (0,6 Meilen) oder mehr aufweist.
Der Gürtel liegt zwischen Mars und Jupiter und reicht von 2, 2 bis 3.2 astronomische Einheiten (AU) von der Sonne entfernt und ist 1 AU dick. Seine Gesamtmasse wird auf 2,8 × 1021 bis 3,2 × 1021 Kilogramm geschätzt – was etwa 4% der Mondmasse entspricht. Die vier größten Objekte – Ceres, 4 Vesta, 2 Pallas und 10 Hygiea – machen die Hälfte der Gesamtmasse des Gürtels aus, wobei fast ein Drittel allein auf Ceres entfällt.
Die Hauptpopulation (oder Kernpopulation) des Asteroidengürtels ist manchmal in drei Zonen unterteilt, die auf sogenannten Kirkwood-Lücken basieren. Benannt nach Daniel Kirkwood, der 1866 die Entdeckung von Lücken in der Entfernung von Asteroiden ankündigte, beschreiben diese die Dimensionen der Umlaufbahn eines Asteroiden basierend auf seiner Semi-Major-Achse.
Innerhalb dieses Schemas gibt es drei Zonen. Zone I liegt zwischen den Kirkwood-Lücken mit 4: 1-Resonanz und 3: 1-Resonanz, die 2,06 bzw. 2,5 AE von der Sonne entfernt sind. Zone II setzt sich vom Ende der Zone I bis zur 5: 2-Resonanzlücke fort, die 2,82 AU von der Sonne entfernt ist. Zone III erstreckt sich vom äußeren Rand der Zone II bis zum Resonanzabstand von 2:1 bei 3,28 AU.
Der Asteroidengürtel kann auch in den inneren und äußeren Gürtel unterteilt werden, wobei der innere Gürtel von Asteroiden gebildet wird, die näher am Mars umkreisen als der 3: 1 Kirkwood Gap (2,5 AU), und der äußere Gürtel, der von diesen Asteroiden gebildet wird, die näher an Jupiters Umlaufbahn liegen.
Die Asteroiden, die einen Radius von 2,06 AE von der Sonne haben, können als innere Grenze des Asteroidengürtels betrachtet werden. Störungen durch Jupiter schicken Körper, die sich dort in instabile Umlaufbahnen verirren. Die meisten Körper, die sich innerhalb des Radius dieser Lücke bildeten, wurden vom Mars mitgerissen (der ein Aphel bei 1 hat.67 AU) oder durch seine Gravitationsstörungen in der Frühgeschichte des Sonnensystems ausgestoßen.
Die Temperatur des Asteroidengürtels variiert mit der Entfernung von der Sonne. Für Staubpartikel innerhalb des Bandes reichen die typischen Temperaturen von 200 K (-73 °C) bei 2,2 AU bis hin zu 165 K (-108 °C) bei 3,2 AU. Aufgrund der Rotation kann die Oberflächentemperatur eines Asteroiden jedoch erheblich variieren, da die Seiten abwechselnd der Sonnenstrahlung und dann dem Sternenhintergrund ausgesetzt sind.
Zusammensetzung:
Ähnlich wie die terrestrischen Planeten bestehen die meisten Asteroiden aus Silikatgestein, während ein kleiner Teil Metalle wie Eisen und Nickel enthält. Die verbleibenden Asteroiden bestehen aus einer Mischung dieser und kohlenstoffreichen Materialien. Einige der weiter entfernten Asteroiden enthalten tendenziell mehr Eis und flüchtige Stoffe, einschließlich Wassereis.
Der Hauptgürtel besteht hauptsächlich aus drei Kategorien von Asteroiden: C-Typ oder kohlenstoffhaltige Asteroiden; S-Typ oder Silikat-Asteroiden; und M-Typ oder metallische Asteroiden. Kohlenstoffhaltige Asteroiden sind kohlenstoffreich, dominieren die äußeren Regionen des Gürtels und machen über 75% der sichtbaren Asteroiden aus. Ihre Oberflächenzusammensetzung ähnelt der von kohlenstoffhaltigen Chondritmeteoriten, während ihre Spektren denen des frühen Sonnensystems ähneln.
S-Typ (silikatreiche) Asteroiden sind häufiger in Richtung der inneren Region des Gürtels, innerhalb von 2,5 AE der Sonne. Diese bestehen typischerweise aus Silikaten und einigen Metallen, jedoch nicht aus einer signifikanten Menge kohlenstoffhaltiger Verbindungen. Dies deutet darauf hin, dass ihre Materialien im Laufe der Zeit erheblich modifiziert wurden, höchstwahrscheinlich durch Schmelzen und Reformation.
M-Typ (metallreiche) Asteroiden bilden etwa 10% der Gesamtbevölkerung und bestehen aus Eisen-Nickel und einigen Silikatverbindungen. Es wird angenommen, dass einige aus den metallischen Kernen der Asteroiden stammen, die dann durch Kollisionen fragmentiert wurden. Innerhalb des Asteroidengürtels erreicht die Verteilung dieser Arten von Asteroiden ihren Höhepunkt auf einer Semi-Major-Achse von etwa 2,7 AE von der Sonne.
Es gibt auch die mysteriösen und relativ seltenen V-Typ (oder basaltischen) Asteroiden. Diese Gruppe hat ihren Namen von der Tatsache, dass bis 2001 angenommen wurde, dass die meisten Basaltkörper im Asteroidengürtel vom Asteroiden Vesta stammen. Die Entdeckung von basaltischen Asteroiden mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen deutet jedoch auf einen anderen Ursprung hin. Aktuelle Theorien der Asteroidenentstehung sagen voraus, dass die V-Typ-Asteroiden zahlreicher sein sollten, aber 99% derjenigen, die vorhergesagt wurden, fehlen derzeit.
Familien und Gruppen:
Etwa ein Drittel der Asteroiden im Asteroidengürtel sind Mitglieder einer Asteroidenfamilie. Diese basieren auf Ähnlichkeiten in Orbitalelementen – wie Semi-Major-Achse, Exzentrizität, Orbitalneigungen und ähnlichen spektralen Merkmalen, die alle auf einen gemeinsamen Ursprung hinweisen. Höchstwahrscheinlich hätte dies Kollisionen zwischen größeren Objekten (mit einem mittleren Radius von ~ 10 km) zur Folge gehabt, die sich dann in kleinere Körper auflösten.
Einige der bekanntesten Familien im Asteroidengürtel sind die Familien Flora, Eunomia, Koronis, Eos und Themis. Die Flora-Familie, eine der größten mit mehr als 800 bekannten Mitgliedern, könnte sich vor weniger als einer Milliarde Jahren aus einer Kollision gebildet haben. Diese Familie befindet sich im inneren Bereich des Gürtels und besteht aus Asteroiden vom Typ S und macht etwa 4-5% aller Gürtelobjekte aus.
Die Eunomia-Familie ist eine weitere große Gruppe von Asteroiden vom S-Typ, die ihren Namen von der griechischen Göttin Eunomia (Göttin des Gesetzes und der guten Ordnung) hat. Es ist die prominenteste Familie im mittleren Asteroidengürtel und macht 5% aller Asteroiden aus.
Die Koronis-Familie besteht aus 300 bekannten Asteroiden, von denen angenommen wird, dass sie vor mindestens zwei Milliarden Jahren durch eine Kollision entstanden sind. Die größte bekannte, 208 Lacrimosa, ist etwa 41 km (25 Meilen) im Durchmesser, während weitere 20 gefunden wurden, die größer als 25 km im Durchmesser sind.
Die Eos (oder Eoan) -Familie ist eine prominente Familie von Asteroiden, die die Sonne in einer Entfernung von 2,96 – 3,03 AUs umkreisen und vermutlich vor 1-2 Milliarden Jahren aus einer Kollision entstanden sind. Es besteht aus 4.400 bekannten Mitgliedern, die der S-Typ-Asteroiden-Kategorie ähneln. Die Untersuchung von Eos und anderen Familienmitgliedern im Infrarotbereich zeigt jedoch einige Unterschiede zum S-Typ, weshalb sie ihre eigene Kategorie haben (Asteroiden vom Typ K).
Die Themis-Asteroidengruppe befindet sich im äußeren Teil des Asteroidengürtels in einer mittleren Entfernung von 3,13 AE von der Sonne. Diese Kerngruppe umfasst den Asteroiden 24 Themis (nach dem er benannt ist) und ist eine der bevölkerungsreichsten Asteroidenfamilien. Es besteht aus Asteroiden vom C-Typ mit einer Zusammensetzung, von der angenommen wird, dass sie der von kohlenstoffhaltigen Chondriten ähnelt, und besteht aus einem genau definierten Kern größerer Asteroiden und einer umgebenden Region kleinerer Asteroiden.
Der größte Asteroid, der ein echtes Mitglied einer Familie ist, ist 4 Vesta. Es wird angenommen, dass sich die Vesta-Familie als Ergebnis eines kraterbildenden Einschlags auf Vesta gebildet hat. Ebenso könnten die HED-Meteoriten infolge dieser Kollision auch von Vesta stammen.
Neben den Asteroidenkörpern enthält der Asteroidengürtel auch Staubbänder mit Partikelradien von bis zu einigen hundert Mikrometern. Dieses feine Material entsteht zumindest teilweise durch Kollisionen zwischen Asteroiden und durch den Aufprall von Mikrometeoriten auf die Asteroiden. Innerhalb des Asteroidengürtels wurden drei markante Staubbänder gefunden, die ähnliche Orbitalneigungen aufweisen wie die Asteroidenfamilien Eos, Koronis und Themis – und daher möglicherweise mit diesen Gruppierungen in Verbindung gebracht werden.
Herkunft:
Ursprünglich wurde angenommen, dass der Asteroidengürtel die Überreste eines viel größeren Planeten war, der die Region zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter besetzte. Diese Theorie wurde ursprünglich von Heinrich Olbders an William Herschel als mögliche Erklärung für die Existenz von Ceres und Pallas vorgeschlagen. Diese Hypothese ist jedoch aus mehreren Gründen in Ungnade gefallen.
Erstens gibt es die Menge an Energie, die es benötigt hätte, um einen Planeten zu zerstören, was atemberaubend gewesen wäre. Zweitens gibt es die Tatsache, dass die gesamte Masse des Gürtels nur 4% der Masse des Mondes beträgt. Drittens deuten die signifikanten chemischen Unterschiede zwischen den Asteroiden nicht darauf hin, dass sie einst Teil eines einzigen Planeten waren.
Heute ist der wissenschaftliche Konsens, dass die Asteroiden, anstatt von einem Vorläuferplaneten zu fragmentieren, Überreste aus dem frühen Sonnensystem sind, die überhaupt keinen Planeten gebildet haben. Während der ersten paar Millionen Jahre der Geschichte des Sonnensystems, als die Gravitationsakkretion zur Bildung der Planeten führte, verschmolzen Materieklumpen in einer Akkretionsscheibe zu Planetesimalen. Diese wiederum kamen zusammen, um Planeten zu bilden.
Innerhalb des Asteroidengürtels wurden Planetesimale jedoch zu stark von Jupiters Schwerkraft gestört, um einen Planeten zu bilden. Diese Objekte würden weiterhin wie zuvor die Sonne umkreisen, gelegentlich kollidieren und kleinere Fragmente und Staub produzieren.
Während der frühen Geschichte des Sonnensystems schmolzen die Asteroiden auch bis zu einem gewissen Grad, so dass Elemente in ihnen teilweise oder vollständig nach Masse unterschieden werden konnten. Diese Periode wäre jedoch aufgrund ihrer relativ geringen Größe notwendigerweise kurz gewesen und hätte wahrscheinlich vor etwa 4, 5 Milliarden Jahren in den ersten zehn Millionen Jahren der Entstehung des Sonnensystems geendet.
Obwohl sie auf die frühe Geschichte des Sonnensystems datiert sind, sind die Asteroiden (wie sie heute sind) keine Beispiele ihres ursprünglichen Selbst. Sie haben seit ihrer Entstehung eine beträchtliche Entwicklung durchlaufen, einschließlich innerer Erwärmung, Oberflächenschmelzen durch Stöße, Weltraumbewitterung durch Strahlung, und Bombardierung durch Mikrometeoriten. Daher wird angenommen, dass der Asteroidengürtel heute nur einen kleinen Bruchteil der Masse des Urgürtels enthält.
Computersimulationen deuten darauf hin, dass der ursprüngliche Asteroidengürtel so viel Masse wie die Erde enthalten haben könnte. Hauptsächlich wegen Gravitationsstörungen, Das meiste Material wurde eine Million Jahre nach seiner Entstehung aus dem Gürtel ausgestoßen, weniger zurücklassen als 0.1% der ursprünglichen Masse. Seitdem wird angenommen, dass die Größenverteilung des Asteroidengürtels relativ stabil geblieben ist.
Als der Asteroidengürtel zum ersten Mal gebildet wurde, bildeten die Temperaturen in einem Abstand von 2,7 AE von der Sonne eine „Schneegrenze“ unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser. Im Wesentlichen konnten Planetesimale, die jenseits dieses Radius gebildet wurden, Eis ansammeln, von denen einige möglicherweise eine Wasserquelle für die Ozeane der Erde darstellten (noch mehr als Kometen).
Exploration:
Der Asteroidengürtel ist so dünn besiedelt, dass mehrere unbemannte Raumfahrzeuge ihn durchqueren konnten; entweder als Teil einer Langstreckenmission zum äußeren Sonnensystem oder (in den letzten Jahren) als Mission zur Untersuchung größerer Objekte des Asteroidengürtels. Aufgrund der geringen Materialdichte innerhalb des Gürtels wird die Wahrscheinlichkeit, dass eine Sonde auf einen Asteroiden trifft, auf weniger als eins zu einer Milliarde geschätzt.
Das erste Raumschiff, das eine Reise durch den Asteroidengürtel unternahm, war das Raumschiff Pioneer 10, das am 16.Juli 1972 in die Region eintrat. Im Rahmen einer Mission zum Jupiter navigierte das Raumschiff erfolgreich durch den Gürtel und führte einen Vorbeiflug am Jupiter durch (der im Dezember 1973 gipfelte), bevor es das erste Raumschiff wurde, das eine Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem erreichte.
Zu dieser Zeit gab es Bedenken, dass die Trümmer eine Gefahr für die Raumsonde Pioneer 10 darstellen würden. Aber seit dieser Mission passierten 11 zusätzliche Raumschiffe ohne Zwischenfälle den Asteroidengürtel. Dazu gehörten Pioneer 11, Voyager 1 und 2, Ulysses, Galileo, NEAR, Cassini, Stardust, New Horizons, die ESA-Raumsonde Rosetta und zuletzt die Raumsonde Dawn.
Zum größten Teil waren diese Missionen Teil von Missionen zum äußeren Sonnensystem, wo die Möglichkeiten, Asteroiden zu fotografieren und zu studieren, kurz waren. Nur die Hayabusa-Missionen von Dawn, NEAR und JAXA haben Asteroiden über einen längeren Zeitraum im Orbit und an der Oberfläche untersucht. Dawn erforschte Vesta von Juli 2011 bis September 2012 und umkreist derzeit Ceres (und sendet viele interessante Bilder seiner Oberflächenmerkmale zurück).
Und eines Tages, wenn alles gut geht, könnte die Menschheit sogar in der Lage sein, den Asteroidengürtel nach Ressourcen wie Edelmetallen, Mineralien und flüchtigen Stoffen abzubauen. Diese Ressourcen könnten von einem Asteroiden abgebaut und dann im Weltraum der In-situ-Nutzung (d. H. Umwandlung in Baumaterialien und Raketentreibstoff) verwendet oder zur Erde zurückgebracht werden.
Es ist sogar möglich, dass die Menschheit eines Tages größere Asteroiden kolonisiert und Außenposten im gesamten Gürtel errichtet. In der Zwischenzeit gibt es noch viel zu entdecken und möglicherweise Millionen weiterer Objekte, die es zu studieren gilt.
Wir haben viele Artikel über den Asteroidengürtel für Universe Today geschrieben. Woher kommen Asteroiden? Warum bedroht der Asteroidengürtel kein Raumschiff und warum ist der Asteroidengürtel kein Planet?.
Erfahren Sie auch, welcher der größte Asteroid im Sonnensystem ist und über den nach Leonard Nimoy benannten Asteroiden. Und hier sind 10 interessante Fakten über Asteroiden.
Wir haben auch viele interessante Artikel über die Mission der Raumsonde Dawn zu Vesta und Ceres und den Asteroidenabbau.
Um mehr zu erfahren, besuchen Sie die Lunar and Planetary Science-Seite der NASA über Asteroiden und die Pressemitteilungen der Hubblesite über Asteroiden.
Astronomie Cast auch einige interessante Episoden über Asteroiden, wie Episode 55: Der Asteroidengürtel und Episode 29: Asteroiden sind schlechte Nachbarn.