Wat is de asteroïdengordel?

Guiseppe Piazzi
Guiseppe Piazzi, hij ontdekte Ceres, de eerste asteroïde/dwergplaneet in 1801.

In de achttiende eeuw leidden waarnemingen van de toen bekende planeten Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Jupiter en Saturnus er toe dat astronomen een patroon herkenden in hun banen. Dit leidde uiteindelijk tot de wet van Titius-Bode die de afstand tussen de planeten voorspelde. Deze wet toonde een gat aan tussen de banen van Mars en Jupiter die uiteindelijk leidde tot een hele belangrijke ontdekking.

Na het ontdekken van verschillende grotere objecten begonnen astronomen ook steeds meer kleine objecten te zien tussen de banen van Mars en Jupiter. Dit leidde tot het ontstaan van de term “asteroïde” (voor het eerst voorgesteld door William Herschel) en de term asteroïdengordel.

Ontdekking

De wet van Titius-Bode voorspelde dus een hemellichaam tussen de banen van Mars en Jupiter. De Duitse baron en astronoom Franz Xaver von Zach wilde dit object vinden en hij verzamelde 24 vooraanstaande astronomen in de “United Astronomical Society” (soms ook wel als de “Stellar Police” beschreven). Onder de 24 astronomen ook William Herschel die in niet lang daarvoor Uranus en enkele van zijn manen had ontdekt.

Onder de astronomen ook Guiseppe Piazzi van de Universiteit van Palermo. Hij was gevraagd om deel uit te maken van de club van 24 maar hij had zijn uitnodiging nog niet ontvangen toen hij op 1 januari 1801 een klein object ontdekte in een baan op een afstand die door de wet van Titius-Bode werd voorspeld.

In eerste instantie dacht hij te maken te hebben met een komeet maar bij aanvullende waarnemingen werd geen coma aangetroffen. Dit leidde er bij Piazzi toe aan te nemen dat hij het object, dat door hem Ceres was genoemd naar de Romeinse godin van de landbouw en de patroon heilige van Sicilië, mogelijk wel eens een planeet kon zijn. Vijftien maanden later ontdekte de Duitse astronoom Heinrich Olbers (ook een lid van de club van 24) het tweede object in hetzelfde gebied. Dit object werd later 2 Pallas genoemd.

Qua uiterlijk leken deze objecten op sterren, zelfs bij grotere vergrotingen in telescopen bleven ze puntvormig en waren ze niet als een schijfje te herkennen. Echter hun snelle beweging langs de hemel duidde op een gezamenlijke baan. William Herschel stelde voor om ze in een aparte categorie onder te brengen en hij introduceerde de term “asteroïde” (Grieks voor ster-achtig).

In 1807 werden er twee nieuwe objecten ontdekt, 3 Juno en 4 Vesta en 1845 werd 5 Astraea gevonden. Daarna kwam de ontdekking van nieuwe objecten in een stroomversnelling en omstreeks 1850 werd de term “asteroïden algemeen gebruikt en tegen die tijd werd de term “asteroïdengordel” ook algemeen toegepast ofschoon het niet duidelijk is wie deze term heeft geïntroduceerd. Echter, tegenwoordig wordt ook de term “hoofdgordel” vaak gebruikt om een onderscheid te maken met de verder weg gelegen Kuipergordel.

In 1868 waren er al ongeveer 100 asteroïden gevonden en toen de astronoom Max Wolf in 1891 de astrofotografie introduceerde nam dit aantal nog sneller toe. In 1921 waren er al 1000 asteroïden bekend. In 1981 waren dat er 10.000 en in 2001 stond de teller op 100.000 asteroïden. Tegenwoordig worden er geautomatiseerde systemen gebruikt om nieuwe asteroïden in kaart te brengen.

Structuur

De asteroïdengordel is voornamelijk lege ruimte, de asteroïden zijn verspreid over een heel groot volume in de ruimte. Er zijn honderdduizenden asteroïden bekend en men schat dat dit kan oplopen tot enkele miljoenen. Meer dan 200 asteroïden zijn groter dan 100 kilometer in diameter en een onderzoek op infrarode golflengtes heeft aangetoond dat er ongeveer 0,7 tot 1,7 miljoen asteroïden zijn met een diameter van 1 kilometer of meer.

De asteroïdengordel bevindt zich tussen de banen van Mars en Jupiter op een afstand van 2,2 tot 3,2 Astronomische Eenheden van de Zon. De gordel is ongeveer 1 Astronomische Eenheid dik. De totale massa wordt geschat op 2,8 * 1021 kg tot 3,2 * 1021 kilogram en dat komt overeen met 4% van de massa van onze Maan. De vier grootste objecten, Ceres, 4 Vesta, 2 Pallas en 10 Hygiea zijn goed voor de helft van de totale massa waarbij Ceres alleen al goed is voor 1/3-de van het totaal.

De hoofdgordel wordt vaak opgedeeld in drie verschillende zones die door een leegte worden gescheiden. Deze leegtes zijn bekend als de Kirkwood-scheidingen naar de astronoom Daniël Kirkwood die in 1866 deze scheidingen voorspelde. Er waren op dat moment minder dan 50 asteroïden bekend.

Zone I bevindt zich op een afstand van 2,06 tot 2,5 Astronomische Eenheden van de Zon. Hierin bevinden zich de asteroïden met een resonantie van 4:1 en 3:1.

Zone II bevindt zich op een afstand van 2,5 tot 2,82 Astronomische Eenheden van de Zon, Hierin bevinden zich de asteroïden met een resonantie van 5:2.

Zone III bevindt zich op een afstand van 2,82 tot 3,28 Astronomische Eenheden. Hierin bevinden zich de asteroïden met een resonantie van 2:1.

Een resonantie van bijvoorbeeld 2:1 betekent dat de asteroïde twee keer om de Zon draait in de tijd dat Jupiter er 1 keer voor nodig heeft. Een resonantie van 5:2 betekent dat een asteroïde 5 keer om de Zon draait in de tijd dat Jupiter daar 2 keer voor nodig heeft. Deze resonanties leveren stabiele banen op. In de Kirkwoodscheidingen komen andere resonanties voor en dit levert instabiele banen op en daarom vinden we daar veel minder asteroïden. Dit verschijnsel zien we overigens ook terug in de ringen van Saturnus.

De asteroïdengordel kan ook verdeeld worden in een binnenste en een buitenste gordel waarbij de binnenste gordel bestaat uit asteroïden die zich dichter bij Mars bevinden dan de 3:1 Kirkwoodscheiding (2,5 Astronomische Eenheden) en de buitenste gordel wordt gevormd door asteroïden die zich dichterbij Jupiter bevinden.

De asteroïden op een straal van 2,06 AE van de Zon kunnen worden beschouwd als de binnenste grens van de gordel. Verstoringen door Jupiter zorgen er voor dat asteroïden in instabiele banen terechtkomen. De meeste asteroïden die zich binnen de straal van deze scheiding bevinden zijn daar door Mars naar toe geveegd (Mars heeft een aphelium van 1,67 AE) of daar door verstoringen in de zwaartekracht in de beginjaren van het zonnestelsel terechtgekomen.

De temperatuur van de asteroïdengordel varieert met de afstand tot de Zon. Stofdeeltjes in de gordel hebben typisch een temperatuur tussen 200 Kelvin (-730°C) op 2,2 AE van de Zon tot 165 Kelvin (-108 °C) op 3,2 AU van de Zon. Als gevolg van hun rotatie kan de temperatuur van een asteroïde behoorlijk verschillen omdat ze soms naar de Zon toe zijn gericht en soms niet.

Kirkwood-scheidingen in de asteroïdengordel
Grafische weergave van de verdeling van de asteroïden in de gordel. De verschillende Kirkwood-scheidingen zijn duidelijk te zien. De grafiek is in 2007 opgesteld op basis van de banen van alle goed bekende asteroïden:156.929 asteroïden! (credit: NASA/JPL)

Samenstelling

De meeste asteroïden bestaan uit gesteente maar een klein gedeelte bevat ook metalen als ijzer en nikkel. De resterende asteroïden bestaan uit een mix van meiden samen met koolstofrijke componenten. Sommige asteroïden die zich verder weg van de Zon bevinden bevatten meer ijs en vluchtige componenten waaronder waterijs.

De gordel kan grotendeels in drie categorieën worden onderverdeeld: C-type of koolstofrijke asteroïden, S-type of silicaatrijke asteroïden en M-type of metallische asteroïden. Koolstofrijke asteroïden komen veel voor in de buitenste delen van de gordel. Ongeveer 75% van alle zichtbare asteroïden zijn van dit C-type. Hun oppervlak vertoont grote overeenkomsten met koolstofrijke chondriet meteorieten en hun spectrum komt overeen met de samenstelling van het jonge zonnestelsel.

S-type oftewel silicaatrijke asteroïden komen voornamelijk voor in de binnenste delen van de gordel tot een afstand van ongeveer 2,5 Astronomische Eenheden van de Zon. Ze bestaan voornamelijk uit silicaten en wat metalen maar ze bevatten geen significante hoeveelheden koolstofrijke componenten. Dit duidt er op dat ze in de loop van de tijd aan sterke veranderingen onderhevig zijn geweest, vermoedelijk hebben er processen als smelten en hergroeperingen plaatsgevonden.

M-type oftewel metaalrijke asteroïden vormen ongeveer 10% van alle asteroïden. Ze bestaan uit ijzer-nikkel en wat silicaathoudende componenten. Van sommige van deze asteroïden denkt men dat het de kernen zijn van grotere asteroïden die tijdens botsingen zijn gefragmenteerd. Deze groep asteroïden bevindt zich voornamelijk in een gebied rond 2,7 Astronomische Eenheden van de Zon.

Asteroïdengordel
Schematische weergave van de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter

Naast deze hoofdklassen onderscheidt men ook nog het zeldzame V-type. Dit zijn asteroïden die voornamelijk uit basalt bestaan. De groep ontleedt zijn naam aan de planetoïde Vesta want tot 2001 dacht men dat deze basalt asteroïden afkomstig waren van fragmentaties van 4 Vesta. Echter men heeft nu ook basalt asteroïden ontdekt die een andere chemische samenstelling hebben en dus ergens anders vandaan moeten komen. Huidige theorieën over het ontstaan van asteroïden voorspellen eigenlijk veel meer basalt asteroïden maat het lijkt er op dat 99% van de voorspelde asteroïden spoorloos zijn.

Families en groepen

Ongeveer 1/3-de van alle asteroïden in de asteroïdengordel maakt deel uit van een groep. Deze groepen zijn gebaseerd op overeenkomsten in hun baanelementen zoals de excentriciteit, baan inclinatie, hun gemiddelde afstand tot de Zon en overeenkomsten in hun spectrum. Overeenkomsten in deze kenmerken duiden op een gemeenschappelijke herkomst. Waarschijnlijk gaat het hier om botsingen tussen grotere objecten (met ene gemiddelde straal van ± 10 kilometer) die daarna in talloze kleinere objecten zijn opgedeeld.

De grootste families in de asteroïdengordel zijn de Flora-, de Eurnoma- , de Koronis-, de Eos- en de Themis familie. De Flora-familie is één van de grootste met meer dan 800 bekende leden en is mogelijk ontstaan bij een botsing minder dan 1 miljoen jaar geleden. De Flora-familie bevindt zich in het binnenste gedeelte van de gordel en de familie bestaat uit S-type asteroïden en is goed voor 4-5% van alle objecten in de gordel.

Ook de Eunomia-familie bestaat uit een grote groep S-type asteroïden. Ze hebben hun naam te danken aan de Griekse godin Eunomia, de godin van wet en wetgeving. Ook de Eunomia-familie bevindt zich in het midden van de asteroïdengordel en is goed voor ongeveer 5% van alle asteroïden.

De Koronis-familie bestaat uit 300 bekende asteroïden die vermoedelijk enkele miljarden jaren geleden zijn ontstaan uit een botsing. Het grootste lid van de familie is 208 Lacrimosa. Deze asteroïde heeft een diameter van ± 41 kilometer. De familie telt nog ongeveer 20 asteroïden die groter zijn dan 25 kilometer in diameter.

De Eos (ook wel Eoan genoemd)-familie draait op een afstand van 2,96 tot 3,03 Astronomische Eenheden om de Zon en men denkt dat ze is ontstaan uit een botsing ongeveer 1 – 2 miljard jaar geleden. Er zijn 4400 leden bekend die allemaal van het S-type zijn. Onderzoek aan de Eon-familie en de andere families laat zien dat er verschillen zijn in de S-types en daarom heeft de Eon-familie een eigen categorie en worden het K-type asteroïden genoemd.

De Themis-familie treffen we aan in de buitenste delen van de asteroïdengordel op een afstand van 3,13 Astronomische Eenheden van de Zon. De asteroïde 24 Themis is de naamgever van de groep. Het is één van de grootste groepen. De Themis-groep bestaat uit C-type asteroïden en men denkt dat de samenstelling sterk lijkt op die van koolstofhoudende chondrieten. De familie bestaat uit een duidelijke kern van grotere asteroïden met omliggende gebieden van kleinere objecten.

De grootste asteroïde die lid is van een familie is 4 Vesta. Men denkt dat de Vesta-familie is ontstaan uit een botsing waarbij twee enorme kraters zijn gevormd op Vesta en vermoedelijk zijn ook de HED meteorieten het resultaat van deze botsing.

Naast heel veel asteroïden komen er ook stofbanden voor in de asteroïdengordel. De stofdeeltjes variëren in grootte tot enkele honderden micrometers. Het is heel fijn materiaal dat in vrijgekomen bij botsingen tussen asteroïden en bij de inslag van micrometeorieten op asteroïden. Er worden drie stofbanden onderscheiden die dezelfde baan inclinaties hebben als de Eos, Koronis en de Themis-families en er is vermoedelijk een relatie met deze families.

Oorsprong

Oorspronkelijk dacht men dat de asteroïdengordel het restant was van een grotere planeet die heeft bestaan tussen de banen van Mars en Jupiter. Deze theorie werd als eerste voorgesteld door Heinrich Olbers aan William Herschel als mogelijke verklaring voor het bestaan van Ceres en Pallas echter deze hypothese is om verschillende redenen in onbruik geraakt.

De hoeveelheid energie die je nodig hebt om een complete planeet te vernietigen is enorm. Daarnaast is de totale massa van de asteroïdengordel slechts 4% van de massa van de Maan maar ook zijn de chemische verschillen tussen tussen de asteroïden dusdanig dat het er niet op lijkt dat ze vroeger samen een planeet hebben gevormd.

Tegenwoordig wordt algemeen aangenomen de asteroïden overblijfselen zijn van het jonge zonnestelsel die nooit hebben deelgenomen aan planeetvorming. Gedurende de eerste miljoenen jaren van het zonnestelsel toen de accretieschijf onder invloed van de zwaartekracht overging tot planeetvorming klonteren brokken materie samen tot planetesimalen. Deze planetesimalen op hun beurt smolten samen tot de planeten.

Echter in het gebied van de asteroïdengordel werden de planetesimalen dermate verstoord door de zwaartekracht van Jupiter dat ze niet over konden gaan tot planeetvorming. Deze objecten bleven daarom in een baan om de Zon, botsten af en toe met elkaar en zo ontstonden kleinere fragmenten en stof.

In de begintijd van het zonnestelsel waren de asteroïden ook tot op zekere hoogte gesmolten waardoor er een gehele of gedeeltelijke differentiatie van elementen kon plaatsvinden afhankelijk van de massa van die elementen. Echter deze periode heeft relatief kort geduurd omdat de kleine grootte van de steroïden zorgde voor een snelle afkoeling. Vermoedelijk is dit afkoelingsproces al 4,5 miljard jaar geleden gestopt, dit is ergens in de eerste tientallen miljoenen jaren van het ontstaan van het zonnestelsel.

Toch zijn de asteroïden van nu niet meer hetzelfde als de asteroïden van vroeger. Ze zijn veranderd onder invloed van kosmische straling, interne opwarming, bombardementen door micro-meteorieten en het smelten van het oppervlak als gevolg van zeer grote inslagen.

Computersimulaties laten zien dat de oorspronkelijke asteroïdengordel een massa had gelijk aan die van de Aarde. Veel materiaal is als gevolg van zwaartekrachtverstoringen in de eerste miljoenen jaren na het ontstaan, uit de gordel gestoten waardoor er minder dan 0,1% van de oorspronkelijke massa achterbleef. Sinds die tijd is de grootte verdeling van de asteroïdengordel vermoedelijk redelijk stabiel gebleven.

Tijdens het ontstaan van de asteroïdengordel was de temperaturen op een afstand van 2,7 Astronomische Eenheden omstreeks het vriespunt van water. Dit betekent dat planetesimalen die in dit gebied ontstonden ook in staat waren water op te nemen en sommigen hebben wellicht het water geleverd voor de oceanen op Aarde

Verkenning

De asteroïdengordel is relatief dun bevolkt. Er zijn al verschillende ruimtesondes door de gordel heen gevlogen op weg naar de buitenplaneten toe of om grotere asteroïden in de gordel te bestuderen. De kans dat een ruimtesonde in botsing komt met een asteroïde wordt tegenwoordig geschat op minder dan 1 miljard.

Pioneer-10 was de eerste ruimtesonde die door de gordel heen vloog, de verkenner bereikte de asteroïdengordel op 16 juli 1972. De verkenner was op reis naar Jupiter en passeerde de gordel zonder problemen. In die tijd was men er nog niet zeker van of de asteroïdengordel een gevaar voor ruimtesondes zou opleveren maar sinds Pioneer-10 zijn er 11 ruimtesondes door de gordel heen gevlogen zonder dat er iets is gebeurd. Niet alleen Pioneer-10passeerde probleemloos de asteroïdengordel maar ook Pioneer 11,Voyager 1 en Voyager 2, Ulysses, Galileo, NEAR, Cassini, Stardust, New Horizons, Rosetta en DAWN.

Asteroïden
De asteroïden die van dichtbij zijn gefotografeerd vertonen allemaal een sterk bekraterd uiterlijk (credit: NASA)

De meeste van bovenstaande ruimtemissies waren bedoeld om het buitenste deel van het zonnestelsel te bestuderen maar ze maakten van de gelegenheid gebruik om ook asteroïden te fotograferen en te onderzoeken. Alleen de DAWN-sonde, de Rosetta en de Hayabusa van de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA waren ontworpen voor onderzoek aan asteroïden. DAWN bracht tussen juli 2011 en september 2012 een bezoek aan de asteroïde 4 Vesta en bevindt zich op dit moment in een baan om Ceres.

Eerste publicatie: 28 augustus 2015
Laatste keer bewerkt op: 26maart 2017