1700-luvulla kaikista tunnetuista planeetoista (Merkurius, Venus, Maa, Mars, Jupiter ja Saturnus) tehdyt havainnot saivat tähtitieteilijät havaitsemaan kuvion radoillaan. Lopulta tämä johti Titiuksen-Boden lakiin, joka ennusti planeettojen välisen avaruuden määrän. Tämän lain mukaan Marsin ja Jupiterin ratojen välillä näytti olevan havaittavissa oleva kuilu, ja sen tutkiminen johti merkittävään löytöön.
sen lisäksi, että on havaittu useita suurempia kappaleita, tähtitieteilijät alkoivat huomata myös lukemattomia pienempiä kappaleita, jotka kiertävät Marsin ja Jupiterin välillä. Tämä johti termin ”asteroidi” syntyyn, samoin kuin ”asteroidivyöhyke”, kun kävi selväksi, kuinka monta niitä oli. Siitä lähtien termi on tullut yleiseen käyttöön ja siitä on tullut tähtitieteellisten malliemme tukipilari.
löytö:
vuonna 1800 tähtitieteilijä Paroni Franz Xaver von Zach värväsi 24 tähtitieteilijätoveriaan kerhoon, joka tunnettiin nimellä ”United Astronomical Society” (joskus ”Tähtipoliisi”). Sen riveihin kuului tuolloin kuuluisa tähtitieteilijä William Herschel, joka oli löytänyt Uranuksen ja sen kuut 1780-luvulla.
ironista kyllä, ensimmäinen tähtitieteilijä, joka teki löydön näillä alueilla, oli Giuseppe Piazzi – Palermon yliopiston tähtitieteen puheenjohtaja – jota oli pyydetty liittymään seuraan, mutta ei ollut vielä saanut kutsua. Tammikuun 1. päivänä 1801 Piazzi havaitsi pienen kohteen kiertoradalla, jonka tarkka säde oli ennustettu Titius-Boden lain mukaan.
aluksi hän uskoi sen olevan komeetta, mutta jatkuvien havaintojen mukaan sillä ei ollut koomaa. Tämä sai Piazzin pohtimaan, että hänen löytämänsä esine – jonka hän nimesi ”Cerekseksi” roomalaisen elonkorjuun jumalattaren ja Sisilian suojelijan mukaan – voisi itse asiassa olla planeetta. Viisitoista kuukautta myöhemmin Heinrich Olbers ( seuran jäsen) löysi samalta seudulta toisen kohteen, joka sai myöhemmin nimen 2 Pallas.
ulkomuodoltaan nämä kohteet näyttivät tähdistä erottumattomilta. Korkeimmatkaan kaukoputken suurennokset eivät ratkaisseet kiekkoja. Niiden nopea liike oli kuitenkin osoitus yhteisestä kiertoradasta. Siksi William Herschel ehdotti, että ne sijoitettaisiin erilliseen luokkaan nimeltä ”asteroidit” – kreikaksi ”tähtien kaltaiset”.
vuoteen 1807 mennessä lisätutkimukset paljastivat alueelta kaksi uutta esinettä, 3 Junoa ja 4 Vestaa, ja vuoteen 1845 mennessä löydettiin 5 Astraea. Pian tämän jälkeen uusia kohteita löytyi kiihtyvällä tahdilla, ja 1850-luvun alussa termi ”asteroidit” tuli vähitellen yleiseen käyttöön. Niin teki myös termi ”asteroidivyöhyke”, vaikka on epäselvää, kuka keksi kyseisen termin. Termiä ”Päävyö” käytetään kuitenkin usein erottamaan se Kuiperin vyöhykkeestä.
sata asteroidia oli paikannettu vuoden 1868 puoliväliin mennessä, ja vuonna 1891 Max Wolfin astrofotografian käyttöönotto nopeutti löytövauhtia entisestään. Asteroideja löydettiin vuoteen 1921 mennessä yhteensä 1 000, vuoteen 1981 mennessä 10 000 ja vuoteen 2000 mennessä 100 000. Nykyaikaiset asteroiditutkimusjärjestelmät käyttävät nykyään automaattisia keinoja uusien pikkuplaneettojen paikantamiseksi yhä suuremmissa määrin.
Rakenne:
yhteisistä käsityksistä huolimatta asteroidivyöhyke on enimmäkseen tyhjää avaruutta, asteroidien levittäytyessä laajalle alueelle. Asteroideja tunnetaan kuitenkin tällä hetkellä satojatuhansia, ja niiden kokonaismäärä vaihtelee miljoonissa tai useammissa. Yli 200 asteroidin tiedetään olevan halkaisijaltaan yli 100 km, ja infrapunan aallonpituuksilla tehdyn tutkimuksen mukaan asteroidivyöhykkeellä on 0,7–1,7 miljoonaa asteroidia, joiden läpimitta on 1 km (0,6 mi) tai enemmän.
Marsin ja Jupiterin välissä sijaitseva vyö vaihtelee välillä 2,2-3.2 tähtitieteellistä yksikköä (AU) auringosta ja on 1 AU paksu. Sen kokonaismassan arvioidaan olevan 2,8×1021 – 3,2×1021 kilogrammaa, mikä vastaa noin 4% Kuun massasta. Neljä suurinta esinettä – Ceres, 4 Vesta, 2 Pallas ja 10 Hygiea – muodostavat puolet vyön kokonaismassasta, ja pelkästään Ceres muodostaa lähes kolmanneksen.
asteroidivyöhykkeen päävyöhyke (tai ydin) jaetaan joskus kolmeen vyöhykkeeseen, jotka perustuvat niin sanottuihin Kirkwoodin aukkoihin. Ne on nimetty Daniel Kirkwoodin mukaan, joka ilmoitti vuonna 1866 asteroidien etäisyyksien löytymisestä, ja ne kuvaavat asteroidin radan mittasuhteita sen puoliduuriakselin perusteella.
tässä järjestelmässä on kolme vyöhykettä. Vyöhyke I sijaitsee 4:1-resonanssin ja 3:1-resonanssin Kirkwoodin aukkojen välissä, jotka ovat vastaavasti 2,06 ja 2,5 AU: n päässä Auringosta. Vyöhyke II jatkuu vyöhykkeen I päästä ulos 5: 2 resonanssiaukkoon, joka on 2,82 AU: n päässä Auringosta. Vyöhyke III ulottuu vyöhykkeen II ulkoreunalta 2: 1 resonanssiaukkoon 3,28 AU: n etäisyydellä.
asteroidivyöhyke voidaan jakaa myös sisempään ja ulompaan vyöhykkeeseen, sisempään vyöhykkeeseen, jonka muodostavat Marsia lähempänä kiertävät asteroidit kuin 3: 1 Kirkwoodin aukko (2,5 AU), ja ulompaan vyöhykkeeseen, jonka muodostavat lähempänä Jupiterin rataa olevat asteroidit.
asteroideja, joiden säde on 2,06 AU auringosta, voidaan pitää asteroidivyöhykkeen sisärajana. Jupiterin aiheuttamat häiriöt lähettävät sinne harhailevia kappaleita epävakaille radoille. Useimmat tämän aukon säteen sisällä muodostuneet kappaleet pyyhkiytyivät Marsiin (jonka aphelion on 1.67 AU)eli sen gravitaatiohäiriöiden vuoksi aurinkokunnan varhaishistoriassa.
asteroidivyöhykkeen lämpötila vaihtelee auringon etäisyyden mukaan. Vyöhykkeen sisällä olevien pölyhiukkasten tyypilliset lämpötilat vaihtelevat 200 K (-73 °C): sta 2,2 AU: n lämpötilassa 165 K (-108 °C) asteeseen 3,2 AU: n lämpötilassa. Kiertoliikkeestä johtuen asteroidin pintalämpötila voi kuitenkin vaihdella huomattavasti, sillä sivut altistuvat vuorotellen auringon säteilylle ja sitten tähtien taustalle.
kokoonpano:
maanpäällisten planeettojen tapaan useimmat asteroidit koostuvat silikaattikivestä, kun taas pieni osa sisältää metalleja kuten rautaa ja nikkeliä. Jäljellä olevat asteroidit koostuvat näiden sekamelskasta hiilipitoisten materiaalien ohella. Joissakin kaukaisemmissa asteroideissa on yleensä enemmän ices: iä ja haihtuvia aineita, joihin kuuluu vesijäätä.
päävyöhyke koostuu pääasiassa kolmesta asteroidiluokasta: C-tyypin eli hiilipitoiset asteroidit; S-tyypin eli silikaattiasteroidit; ja M-tyypin eli metalliset asteroidit. Hiilipitoiset asteroidit ovat hiilipitoisia, hallitsevat vyöhykkeen ulkoalueita ja käsittävät yli 75% näkyvistä asteroideista. Niiden pintakoostumus on samanlainen kuin hiilipitoisten kondriittimeteoriittien, kun taas niiden spektrit ovat samanlaisia kuin aurinkokunnan alkuaikojen uskotaan olevan.
S-tyypin (silikaattipitoiset) asteroidit ovat yleisempiä kohti vyöhykkeen sisintä aluetta, 2,5 AU: n etäisyydellä Auringosta. Nämä koostuvat tyypillisesti silikaateista ja joistakin metalleista, mutta ei merkittävästä määrästä hiilipitoisia yhdisteitä. Tämä viittaa siihen, että niiden materiaalit ovat muuttuneet merkittävästi ajan myötä, todennäköisimmin sulamisen ja reformaation kautta.
M-tyypin (metallipitoiset) asteroidit muodostavat noin 10% koko väestöstä ja koostuvat rauta-nikkelistä ja joistakin silikaattiyhdisteistä. Joidenkin uskotaan saaneen alkunsa erilaistuneiden asteroidien metalliytimistä, jotka sitten sirpaloituivat törmäyksistä. Asteroidivyöhykkeellä näiden asteroidityyppien levinneisyys on noin 2,7 AU: n etäisyydellä Auringosta.
on myös arvoituksellisia ja suhteellisen harvinaisia V-tyypin (tai basalttisia) asteroideja. Ryhmä on saanut nimensä siitä, että vuoteen 2001 asti useimpien asteroidivyöhykkeen basalttisten kappaleiden uskottiin olevan peräisin Vesta-asteroidista. Basalttisten asteroidien, joiden kemiallinen koostumus on erilainen, löytyminen viittaa kuitenkin eri alkuperään. Nykyiset teoriat asteroidien muodostumisesta ennustavat, että V-tyypin asteroideja pitäisi olla runsaammin, mutta 99% ennustetuista puuttuu tällä hetkellä.
perheet ja ryhmät:
noin kolmasosa asteroidivyöhykkeen asteroideista kuuluu asteroidiperheeseen. Nämä perustuvat yhtäläisyyksiin rataelementeissä-kuten semidoraaliakselissa, eksentrisyydessä, orbitaalien kaltevuuksissa ja vastaavissa spektriominaisuuksissa, jotka kaikki viittaavat yhteiseen alkuperään. Todennäköisesti tässä olisi ollut kyse isompien kappaleiden (joiden keskimääräinen säde on ~10 km) törmäyksistä, jotka sitten hajosivat pienemmiksi kappaleiksi.
asteroidivyöhykkeen huomattavimpia sukuja ovat Flora -, Eunomia -, Koronis -, Eos-ja Themis-suvut. Flora-suku, joka on yksi suurimmista ja jolla on yli 800 tunnettua jäsentä, on saattanut muodostua alle miljardi vuotta sitten tapahtuneesta törmäyksestä. Vyöhykkeen sisäosassa sijaitseva perhe koostuu S-tyypin asteroideista ja sen osuus kaikista vyön kappaleista on noin 4-5%.
Eunomia-suku on toinen suuri S-tyypin asteroidien ryhmä, joka on saanut nimensä kreikkalaisesta Eunomia-jumalattaresta (lain ja hyvän järjestyksen jumalatar). Se on väli-asteroidivyöhykkeen huomattavin perhe ja sen osuus kaikista asteroideista on 5%.
Koronis-sukuun kuuluu 300 tunnettua asteroidia, joiden arvellaan syntyneen ainakin kaksi miljardia vuotta sitten törmäyksessä. Suurin tunnettu, 208 Lacrimosa, on läpimitaltaan noin 41 kilometriä, ja lisäksi on löydetty 20 muuta, jotka ovat halkaisijaltaan yli 25 kilometriä.
EOS – eli eoan-suku on huomattava asteroidien suku, joka kiertää Aurinkoa 2,96-3,03 AU: n etäisyydellä ja jonka uskotaan muodostuneen 1-2 miljardia vuotta sitten sattuneesta törmäyksestä. Siihen kuuluu 4 400 tunnettua jäsentä, jotka muistuttavat S-tyypin asteroidiluokkaa. EOS: n ja muiden perheenjäsenten tarkastelu infrapunalla kuitenkin osoittaa joitakin eroja S-tyypin kanssa, minkä vuoksi niillä on oma kategoriansa (K-tyypin asteroidit).
Themis-asteroidiperhe löytyy asteroidivyöhykkeen uloimmasta osasta, 3,13 AU: n keskietäisyydeltä auringosta. Tähän ydinryhmään kuuluu asteroidi 24 Themis (jolle se on nimetty), ja se on yksi väkirikkaimmista asteroidiperheistä. Se koostuu C-tyypin asteroideista, joiden koostumuksen uskotaan muistuttavan hiilipitoisten kondriittien ydintä, ja koostuu suurempien asteroidien tarkoin määritellystä ytimestä ja ympäröivästä alueesta pienempiä.
suurin asteroidi on 4 Vesta. Vestan suvun uskotaan syntyneen Vestaan kohdistuneen kraatterin törmäyksen seurauksena. Samoin HED-meteoriitit ovat saattaneet olla peräisin myös Vestasta tämän törmäyksen seurauksena.
asteroidivyöhykkeellä on asteroidien kappaleiden ohella myös pölykaistoja, joiden hiukkassäteet ovat jopa muutaman sadan mikrometrin luokkaa. Tämä hieno aines syntyy ainakin osittain asteroidien törmäyksistä ja mikrometeoriittien törmäyksestä asteroideihin. Asteroidivyöhykkeeltä on löydetty kolme huomattavaa pölyryhmää – joilla on samanlaiset kiertoradat kuin EOS–, Koronis-ja Themis-asteroidiperheillä-ja jotka näin ollen mahdollisesti liittyvät näihin ryhmittymiin.
alkuperä:
alun perin asteroidivyöhykkeen luultiin olevan jäänteitä paljon suuremmasta planeetasta, joka valtasi Marsin ja Jupiterin ratojen välisen alueen. Tämän teorian esitti alun perin Heinrich Olbders William Herschelille mahdollisena selityksenä Cereksen ja Pallaksen olemassaololle. Tämä hypoteesi on kuitenkin sittemmin jäänyt pois suosiosta useista syistä.
Ensinnäkin on olemassa se energiamäärä, joka planeetan tuhoamiseen olisi vaadittu, mikä olisi ollut huikeaa. Toiseksi vyön koko massasta on vain 4% Kuun massasta. Kolmanneksi asteroidien väliset merkittävät kemialliset erot eivät viittaa siihen, että ne olisivat joskus olleet osa yhtä planeettaa.
nykyään tieteellinen konsensus on, että sen sijaan, että asteroidit pirstoutuisivat progenitoriplaneetasta, ne ovat jäänteitä varhaisesta aurinkokunnasta, joka ei koskaan muodostanut planeettaa lainkaan. Aurinkokunnan historian muutaman miljoonan ensimmäisen vuoden aikana, kun gravitaatiokertymä johti planeettojen muodostumiseen, kertymäkiekossa olevat ainekimpaleet yhdistyivät planetesimaaleiksi. Nämä vuorostaan yhdistyivät muodostaen planeettoja.
asteroidivyöhykkeen alueella planetesimaalit olivat kuitenkin liian voimakkaasti Jupiterin painovoiman häiritsemiä muodostaakseen planeetan. Nämä kappaleet kiertäisivät aurinkoa entiseen tapaan törmäten välillä toisiinsa ja tuottaen pienempiä sirpaleita ja pölyä.
aurinkokunnan varhaishistorian aikana myös asteroidit sulivat jonkin verran, jolloin niiden sisällä olevat alkuaineet eriytyivät osittain tai kokonaan massan mukaan. Tämä ajanjakso olisi kuitenkin ollut väistämättä lyhyt niiden suhteellisen pienen koon vuoksi, ja päättyi todennäköisesti noin 4,5 miljardia vuotta sitten, aurinkokunnan muodostumisen ensimmäisten kymmenien miljoonien vuosien aikana.
vaikka asteroidit on ajoitettu aurinkokunnan varhaishistoriaan, ne (kuten nykyäänkin) eivät ole näytteitä sen alkukantaisesta minästä. Ne ovat muotoutumisensa jälkeen läpikäyneet huomattavaa kehitystä, muun muassa sisäistä lämmitystä, törmäyksistä johtuvaa pinnan sulamista, säteilyn aiheuttamaa avaruuden rapautumista ja mikrometeoriittien pommitusta. Siksi asteroidivyöhykkeellä uskotaan nykyään olevan vain pieni murto-osa alkukantaisen vyöhykkeen massasta.
tietokonesimulaatioiden mukaan alkuperäinen asteroidivyöhyke on saattanut sisältää yhtä paljon massaa kuin maa. Pääasiassa gravitaatiohäiriöiden vuoksi suurin osa materiaalista sinkoutui vyöltä pois miljoona vuotta sen muodostumisen jälkeen, jolloin jäljelle jäi alle 0.1% alkuperäisestä massasta. Tämän jälkeen asteroidivyöhykkeen kokojakauman uskotaan pysyneen suhteellisen vakaana.
kun asteroidivyöhyke muodostettiin ensimmäisen kerran, lämpötila 2,7 AU: n etäisyydellä Auringosta muodosti ”lumirajan” veden jäätymispisteen alapuolelle. Pohjimmiltaan tämän säteen ulkopuolelle muodostuneet planetesimaalit kykenivät kasaamaan jäätä, josta osa saattoi olla maapallon valtamerten vesilähde (jopa komeetoita enemmän).
etsintä:
asteroidivyöhyke on niin harvaan asuttu, että useat miehittämättömät avaruusalukset ovat voineet liikkua sen läpi; joko osana pitkän matkan tehtävää ulompaan aurinkokuntaan tai (viime vuosina) tehtävänään tutkia suurempia asteroidivyöhykkeen kohteita. Koska vyöhykkeen materiaalitiheys on alhainen, luotaimen todennäköisyys törmätä asteroidiin on nykyään alle yksi miljardista.
ensimmäinen asteroidivyöhykkeen läpi matkannut luotain oli Pioneer 10-luotain, joka saapui alueelle 16.heinäkuuta 1972. Osana Jupiteriin suuntautuvaa tehtävää alus purjehti onnistuneesti vyöhykkeen läpi ja suoritti Jupiterin ohilennon (joka huipentui joulukuussa 1973) ennen kuin siitä tuli ensimmäinen avaruusalus, joka saavutti pakonopeuden aurinkokunnasta.
tuolloin pelättiin, että romu olisi vaaraksi Pioneer 10-avaruusluotaimelle. Tuon tehtävän jälkeen asteroidivyöhykkeen läpi on kulkenut 11 muuta avaruusalusta ilman välikohtauksia. Näitä olivat Pioneer 11, Voyager 1 ja 2, Ulysses, Galileo, NEAR, Cassini, Stardust, New Horizons, ESAn Rosetta ja viimeisimpänä Dawn-avaruusalus.
suurimmalta osin nämä tehtävät olivat osa ulkoiseen aurinkokuntaan suuntautuneita tehtäviä, joissa mahdollisuudet asteroidien kuvaamiseen ja tutkimiseen olivat lyhyet. Vain Dawn, NEAR ja Jaxan Hayabusa-missiot ovat tutkineet asteroideja pitkään kiertoradalla ja pinnalla. Dawn tutki Vestaa heinäkuusta 2011 syyskuuhun 2012 ja kiertää parhaillaan Ceresiä (ja lähettää takaisin monia mielenkiintoisia kuvia sen pinnan ominaisuuksista).
ja jonain päivänä, jos kaikki menee hyvin, ihmiskunta voi jopa alkaa louhia asteroidivyöhykkeeltä resursseja – kuten jalometalleja, mineraaleja ja haihtuvia aineita. Nämä resurssit voitaisiin louhia asteroidista ja sitten käyttää avaruudessa in situ-hyötykäyttöä (eli muuttamalla ne rakennusmateriaaleiksi ja rakettien ponneaineeksi), tai tuoda takaisin Maahan.
on jopa mahdollista, että ihmiskunta jonain päivänä asuttaisi suurempia asteroideja ja perustaisi etuvartioasemia eri puolille vyöhykettä. Sillä välin, on vielä paljon tutkimista jäljellä, ja melko mahdollisesti miljoonia esineitä siellä tutkia.
olemme kirjoittaneet useita artikkeleita asteroidivyöhykkeestä Universe Today-lehteen. Mistä asteroidit tulevat? Miksi asteroidivyöhyke ei uhkaa avaruusaluksia ja miksei asteroidivyöhyke ole planeetta?.
muista myös tietää, mikä on aurinkokunnan suurin asteroidi, sekä Leonard Nimoyn mukaan nimetty asteroidi. Ja tässä 10 mielenkiintoista faktaa asteroideista.
meillä on myös monia mielenkiintoisia artikkeleita Dawn-luotaimen lennosta Vestaan ja Ceresiin sekä asteroidien louhinnasta.
Lue lisää Nasan kuun ja planeettojen Tiedesivulta asteroideista ja Hubblesiitin Uutisjulkaisuista asteroideista.
Tähtitiede esitti myös mielenkiintoisia jaksoja asteroideista, kuten Episode 55: the Asteroid Belt ja Episode 29: Asteroidit Ovat Huonoja Naapureita.