Astronomie

Serait-il possible de découvrir une ceinture d'astéroïdes autour d'une autre étoile ?

Serait-il possible de découvrir une ceinture d'astéroïdes autour d'une autre étoile ?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Avec la technologie existante ou prévue (par exemple l'ELT ou le JWST), serait-il possible de déduire la présence d'un anneau d'astéroïdes similaire à notre propre ceinture d'astéroïdes ? Ou un signal serait-il noyé dans le bruit ?


Il est actuellement très difficile, voire impossible, d'observer des astéroïdes autour d'autres étoiles.

Les astéroïdes sont des corps d'une taille d'au moins plusieurs mètres à quelques centaines de kilomètres de diamètre. Il existe trois méthodes principales pour détecter les corps :

  1. par leur émission thermique caractéristique
  2. en obstruant la lumière de leur étoile centrale
  3. en nous réfléchissant la lumière de leur départ central

L'une ou l'autre de ces trois méthodes est extrêmement difficile pour des corps de cette taille : ils ne sont pas très nombreux et leurs émissions thermiques se situent dans l'IR moyen (selon la proximité de leur étoile hôte) et sont facilement noyées dans les émissions de leur étoile hôte.

Obstruction de la lumière directe de leur étoile hôte (méthode de transit). Cela repose sur leur section géométrique qui est très petite. Nous pouvons détecter raisonnablement des transits d'une fraction de 0,001 ou éventuellement avec des étoiles calmes et de bonnes conditions jusqu'à même 0,0001. Un astéroïde provoquera un signal plus petit.

Ils sont si petits que toute lumière réfléchie est également très difficile à détecter, même avec des méthodes d'imagerie interférométrique. Cela n'a été prouvé que possible pour certains objets assez éloignés de leur étoile hôte et qui sont beaucoup plus gros. La lumière réfléchie est également beaucoup plus petite à ces séparations, et compte tenu de leur taille, nous ne pouvons donc pas faire d'observations directes.

Donc en résumé : nous sommes actuellement sur le point de détecter des planètes de la taille de la Terre et nous nous approchons de Mars et Mercure avec la méthode du transit - les deux sont considérablement plus grosses que les astéroïdes.

Les émissions thermiques sont principalement utilisées pour les poussières. Les astéroïdes isolés ont une surface totale beaucoup plus petite et ne sont donc pas assez grands pour provoquer un excès IR significatif à leur longueur d'onde d'émission typique (même pour indiquer la présence d'une ceinture d'astéroïdes avec plus d'un seul objet).

La détection d'astéroïdes par astrométrie est peu probable, même à court et moyen terme. Nous ne disposons actuellement que de la technologie pour détecter les géantes gazeuses (plutôt éloignées et plus grandes) autour des planètes proches. Le meilleur que nous ayons actuellement pour la détection astrométrique est le satellite Gaia qui a détecté une géante gazeuse de 10 masses de Jupiter sur une orbite de 22 ans en tant que compagnon de Beta Pictoris.


Preuve d'une ceinture d'astéroïdes autour de Vega

Les astronomes ont découvert ce qui semble être une grande ceinture d'astéroïdes autour de l'étoile Vega, la deuxième étoile la plus brillante du ciel nocturne du nord. Les scientifiques ont utilisé les données du télescope spatial Spitzer de la NASA et de l'observatoire spatial Herschel de l'Agence spatiale européenne, dans lesquels la NASA joue un rôle important.

La découverte d'une bande de débris en forme de ceinture d'astéroïdes autour de Vega rend l'étoile similaire à une autre étoile observée appelée Fomalhaut. Les données sont cohérentes avec le fait que les deux étoiles ont des ceintures intérieures chaudes et des ceintures extérieures froides séparées par un espace. Cette architecture est similaire aux ceintures d'astéroïdes et de Kuiper de notre propre système solaire.

Qu'est-ce qui maintient l'écart entre les ceintures chaudes et froides autour de Vega et Fomalhaut ? Les résultats suggèrent fortement que la réponse est plusieurs planètes. La ceinture d'astéroïdes de notre système solaire, qui se situe entre Mars et Jupiter, est maintenue par la gravité des planètes telluriques et des planètes géantes, et la ceinture extérieure de Kuiper est sculptée par les planètes géantes.

"Nos résultats font écho aux résultats récents montrant que les systèmes à plusieurs planètes sont communs au-delà de notre soleil", a déclaré Kate Su, astronome à l'observatoire Steward de l'université d'Arizona, à Tucson. Su a présenté les résultats mardi lors de la réunion de l'American Astronomical Society à Long Beach, en Californie, et est l'auteur principal d'un article sur les résultats acceptés pour publication dans le Journal d'astrophysique.

Vega et Fomalhaut sont similaires à d'autres égards. Les deux font environ deux fois la masse de notre soleil et brûlent une couleur plus chaude et plus bleue à la lumière visible. Les deux étoiles sont relativement proches, à environ 25 années-lumière. On pense que les étoiles ont environ 400 millions d'années, mais Vega pourrait être plus proche de son 600 millionième anniversaire. Fomalhaut a une seule planète candidate en orbite, Fomalhaut b, qui orbite au bord intérieur de sa ceinture cométaire.

Les télescopes Herschel et Spitzer ont détecté la lumière infrarouge émise par la poussière chaude et froide dans des bandes discrètes autour de Vega et Fomalhaut, découvrant la nouvelle ceinture d'astéroïdes autour de Vega et confirmant l'existence des autres ceintures autour des deux étoiles. Les comètes et les collisions de blocs rocheux reconstituent la poussière dans ces bandes. Les ceintures intérieures de ces systèmes ne peuvent pas être vues en lumière visible car l'éclat de leurs étoiles les éclipse.

Les ceintures intérieure et extérieure contiennent beaucoup plus de matériaux que nos propres ceintures d'astéroïdes et de Kuiper. La raison est double : les systèmes stellaires sont beaucoup plus jeunes que le nôtre, qui a eu des centaines de millions d'années de plus pour nettoyer sa maison, et les systèmes se sont probablement formés à partir d'un nuage de gaz et de poussière initialement plus massif que notre système solaire.

L'écart entre les ceintures de débris intérieure et extérieure pour Vega et Fomalhaut correspond également proportionnellement à la distance entre les ceintures d'astéroïdes de notre soleil et de Kuiper. Cette distance correspond à un rapport d'environ 1:10, la ceinture extérieure étant 10 fois plus éloignée de son étoile hôte que la ceinture intérieure. Quant au grand écart entre les deux ceintures, il est probable qu'il y ait plusieurs planètes non détectées, de la taille de Jupiter ou moins, créant une zone sans poussière entre les deux ceintures. Un bon système stellaire de comparaison est HR 8799, qui possède quatre planètes connues qui balayent l'espace entre deux disques de débris similaires.

"Dans l'ensemble, le grand écart entre les ceintures chaudes et froides est un indicateur qui pointe vers plusieurs planètes probablement en orbite autour de Vega et Fomalhaut", a déclaré Su.

Si des planètes invisibles orbitent effectivement autour de Vega et Fomalhaut, ces corps ne resteront probablement pas cachés.

"Les nouvelles installations à venir telles que le télescope spatial James Webb de la NASA devraient être capables de trouver les planètes", a déclaré Karl Stapelfeldt, co-auteur de l'article, chef du laboratoire Exoplanets and Stellar Astrophysics au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.


Contenu

En 1596, Johannes Kepler prédit « Entre Mars et Jupiter, je place une planète » dans son Mysterium Cosmographicum. [13] En analysant les données de Tycho Brahe, Kepler a pensé qu'il y avait un trop grand écart entre les orbites de Mars et de Jupiter. [14]

Dans une note de bas de page anonyme de sa traduction de 1766 du livre de Charles Bonnet Contemplation de la Nature, [15] l'astronome Johann Daniel Titius de Wittenberg [16] [17] a noté un modèle apparent dans la disposition des planètes, maintenant connu sous le nom de loi de Titius-Bode. Si l'on commençait une séquence numérique à 0, puis incluait 3, 6, 12, 24, 48, etc., doublant à chaque fois, et ajoutait quatre à chaque nombre et divisé par 10, cela produisait une approximation remarquablement proche des rayons du orbites des planètes connues mesurées en unités astronomiques fourni l'une d'entre elles permettait une "planète manquante" (équivalente à 24 dans la séquence) entre les orbites de Mars (12) et de Jupiter (48). Dans sa note de bas de page, Titius a déclaré : « Mais le Seigneur Architecte aurait-il dû laisser cet espace vide ? Pas du tout. [16]

Lorsque William Herschel a découvert Uranus en 1781, l'orbite de la planète correspondait presque parfaitement à la loi, ce qui a conduit les astronomes à conclure qu'il devait y avoir une planète entre les orbites de Mars et de Jupiter.

Le 1er janvier 1801, Giuseppe Piazzi, titulaire d'une chaire d'astronomie à l'Université de Palerme, en Sicile, a trouvé un minuscule objet mobile sur une orbite avec exactement le rayon prédit par ce modèle. Il l'a surnommé "Cérès", d'après la déesse romaine de la moisson et patronne de la Sicile. Piazzi a d'abord cru qu'il s'agissait d'une comète, mais son absence de coma a suggéré qu'il s'agissait d'une planète. [18]

Ainsi, le modèle susmentionné prédisait les demi-grands axes des huit planètes de l'époque (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Cérès, Jupiter, Saturne et Uranus).

Quinze mois plus tard, Heinrich Olbers a découvert un deuxième objet dans la même région, Pallas. Contrairement aux autres planètes connues, Cérès et Pallas sont restés des points lumineux même sous les grossissements les plus élevés du télescope au lieu de se résoudre en disques. En dehors de leur mouvement rapide, ils semblaient impossibles à distinguer des étoiles.

En conséquence, en 1802, William Herschel a suggéré qu'ils soient placés dans une catégorie distincte, appelée « astéroïdes », d'après le mot grec astéroïdes, signifiant "comme une étoile". [19] [20] Après avoir terminé une série d'observations de Ceres et Pallas, il a conclu, [21]

Ni l'appellation de planètes, ni celle de comètes, ne peuvent avec aucune convenance de langage être attribuées à ces deux étoiles. Ils ressemblent à de petites étoiles au point de s'en distinguer à peine. De là, leur apparence d'astéroïde, si je prends mon nom, et les appelle Astéroïdes, me réservant cependant la liberté de changer ce nom, si un autre, plus expressif de leur nature, devait se produire.

En 1807, une enquête plus approfondie a révélé deux nouveaux objets dans la région : Juno et Vesta. [22] L'incendie de Lilienthal dans les guerres napoléoniennes, où l'essentiel des travaux avait été effectué, [23] a mis fin à cette première période de découverte. [22]

Malgré le monnayage de Herschel, pendant plusieurs décennies, il est resté une pratique courante de désigner ces objets comme des planètes [15] et de préfixer leurs noms avec des nombres représentant leur séquence de découverte : 1 Ceres, 2 Pallas, 3 Juno, 4 Vesta. Cependant, en 1845, les astronomes ont détecté un cinquième objet (5 Astraea) et, peu de temps après, de nouveaux objets ont été trouvés à un rythme accéléré. Les compter parmi les planètes devenait de plus en plus lourd. Finalement, ils ont été retirés de la liste des planètes (comme suggéré pour la première fois par Alexander von Humboldt au début des années 1850) et le choix de la nomenclature d'Herschel, les « astéroïdes », est progressivement devenu d'usage courant. [15]

La découverte de Neptune en 1846 a conduit au discrédit de la loi de Titius-Bode aux yeux des scientifiques car son orbite était loin de la position prédite. À ce jour, il n'y a aucune explication scientifique à la loi, et le consensus des astronomes la considère comme une coïncidence. [24]

L'expression « ceinture d'astéroïdes » a été utilisée au tout début des années 1850, bien qu'il soit difficile de déterminer qui a inventé le terme. La première utilisation en anglais semble être dans la traduction de 1850 (par Elise Otté) de Alexander von Humboldt Cosmos: [25] "[. ] et l'apparition régulière, vers le 13 novembre et le 11 août, d'étoiles filantes, qui font probablement partie d'une ceinture d'astéroïdes coupant l'orbite terrestre et se déplaçant à vitesse planétaire". Une autre apparition précoce s'est produite dans Robert James Mann Guide de la connaissance des cieux: [26] "Les orbites des astéroïdes sont placées dans une large ceinture d'espace, s'étendant entre les extrêmes de [. ]". L'astronome américain Benjamin Peirce semble avoir adopté cette terminologie et en avoir été l'un des promoteurs. [27]

Au milieu de l'année 1868, une centaine d'astéroïdes avaient été localisés et, en 1891, l'introduction de l'astrophotographie par Max Wolf accéléra encore le rythme des découvertes. [28] Un total de 1 000 astéroïdes avait été trouvé en 1921, [29] 10 000 en 1981, [30] et 100 000 en 2000. [31] Les systèmes modernes d'étude des astéroïdes utilisent désormais des moyens automatisés pour localiser de nouvelles planètes mineures en quantités toujours croissantes. .

Formation Modifier

En 1802, peu de temps après avoir découvert Pallas, Olbers suggéra à Herschel que Cérès et Pallas étaient des fragments d'une planète beaucoup plus grande qui occupait autrefois la région Mars-Jupiter, cette planète ayant subi une explosion interne ou un impact cométaire plusieurs millions d'années auparavant [32] (L'astronome d'Odessan KN Savchenko a suggéré que Cérès, Pallas, Juno et Vesta étaient des lunes échappées plutôt que des fragments de la planète explosée). [33] La grande quantité d'énergie nécessaire pour détruire une planète, combinée à la faible masse combinée de la ceinture, qui ne représente qu'environ 4% de la masse de la Lune terrestre, [2] ne supporte pas l'hypothèse. De plus, les différences chimiques importantes entre les astéroïdes deviennent difficiles à expliquer s'ils proviennent de la même planète. [34] En 2018, une étude menée par des chercheurs de l'Université de Floride a révélé que la ceinture d'astéroïdes avait été créée à partir des restes de plusieurs planètes anciennes au lieu d'une seule planète. [35]

Une hypothèse à la création de la ceinture d'astéroïdes est qu'en général, dans le système solaire, on pense qu'une formation planétaire s'est produite via un processus comparable à l'hypothèse nébulaire de longue date : un nuage de poussière et de gaz interstellaires s'est effondré sous l'influence de la gravité. pour former un disque rotatif de matière qui s'est ensuite condensé pour former le Soleil et les planètes. [36] Au cours des premiers millions d'années de l'histoire du système solaire, un processus d'accrétion de collisions collantes a provoqué l'agglutination de petites particules, dont la taille a progressivement augmenté. Une fois que les amas atteignaient une masse suffisante, ils pouvaient attirer d'autres corps par attraction gravitationnelle et devenir des planétésimaux. Cette accrétion gravitationnelle a conduit à la formation des planètes.

Les planétésimaux de la région qui allait devenir la ceinture d'astéroïdes étaient trop fortement perturbés par la gravité de Jupiter pour former une planète. Au lieu de cela, ils ont continué à orbiter autour du Soleil comme auparavant, entrant parfois en collision. [37] Dans les régions où la vitesse moyenne des collisions était trop élevée, l'éclatement des planétésimaux avait tendance à dominer l'accrétion, [38] empêchant la formation de corps de la taille d'une planète. Les résonances orbitales se sont produites lorsque la période orbitale d'un objet dans la ceinture formait une fraction entière de la période orbitale de Jupiter, perturbant l'objet dans une orbite différente, la région située entre les orbites de Mars et de Jupiter contient de nombreuses résonances orbitales. Au fur et à mesure que Jupiter a migré vers l'intérieur après sa formation, ces résonances auraient balayé la ceinture d'astéroïdes, excitant dynamiquement la population de la région et augmentant leurs vitesses les unes par rapport aux autres. [39]

Au début de l'histoire du système solaire, les astéroïdes ont fondu dans une certaine mesure, permettant aux éléments qu'ils contenaient d'être partiellement ou complètement différenciés par leur masse. Certains des corps géniteurs peuvent même avoir subi des périodes de volcanisme explosif et formé des océans de magma. Cependant, en raison de la taille relativement petite des corps, la période de fusion était nécessairement brève (par rapport aux planètes beaucoup plus grandes), et s'était généralement terminée il y a environ 4,5 milliards d'années, dans les premières dizaines de millions d'années de formation. [40] En août 2007, une étude des cristaux de zircon dans une météorite antarctique qui proviendrait de Vesta a suggéré que celle-ci, et par extension le reste de la ceinture d'astéroïdes, s'était formée assez rapidement, dans les 10 millions d'années suivant l'origine du système solaire. . [41]

Évolution Modifier

Les astéroïdes ne sont pas des échantillons du système solaire primordial. Ils ont subi une évolution considérable depuis leur formation, notamment un échauffement interne (au cours des premières dizaines de millions d'années), une fonte de surface due aux impacts, une altération de l'espace due au rayonnement et un bombardement par des micrométéorites. [42] Bien que certains scientifiques appellent les astéroïdes des planétésimaux résiduels, [43] d'autres scientifiques les considèrent comme distincts. [44]

On pense que la ceinture d'astéroïdes actuelle ne contient qu'une petite fraction de la masse de la ceinture primordiale. Des simulations informatiques suggèrent que la ceinture d'astéroïdes d'origine pourrait avoir contenu la masse équivalente à la Terre. [45] Principalement à cause des perturbations gravitationnelles, la plupart des matériaux ont été éjectés de la ceinture dans un délai d'environ 1 million d'années après la formation, laissant derrière eux moins de 0,1% de la masse d'origine. [37] Depuis leur formation, la distribution des tailles de la ceinture d'astéroïdes est restée relativement stable : il n'y a pas eu d'augmentation ou de diminution significative des dimensions typiques des astéroïdes de la ceinture principale. [46]

La résonance orbitale 4: 1 avec Jupiter, à un rayon de 2,06 UA, peut être considérée comme la limite interne de la ceinture d'astéroïdes. Les perturbations de Jupiter envoient des corps s'y égarer sur des orbites instables. La plupart des corps formés dans le rayon de cet espace ont été balayés par Mars (qui a un aphélie à 1,67 UA) ou éjectés par ses perturbations gravitationnelles au début de l'histoire du système solaire. [47] Les astéroïdes hongrois se trouvent plus près du Soleil que la résonance 4:1, mais sont protégés des perturbations par leur forte inclinaison. [48]

Lorsque la ceinture d'astéroïdes s'est formée pour la première fois, les températures à une distance de 2,7 UA du Soleil ont formé une "ligne de neige" sous le point de congélation de l'eau. Les planétésimaux formés au-delà de ce rayon ont pu accumuler de la glace. [49] [50] En 2006, il a été annoncé qu'une population de comètes avait été découverte dans la ceinture d'astéroïdes au-delà de la ligne de neige, qui peut avoir fourni une source d'eau pour les océans de la Terre. Selon certains modèles, le dégazage d'eau était insuffisant pendant la période de formation de la Terre pour former les océans, nécessitant une source externe telle qu'un bombardement cométaire. [51]


Les télescopes trouvent des preuves de la ceinture d'astéroïdes autour de Vega

Le concept de cet artiste illustre une ceinture d'astéroïdes autour de l'étoile brillante Vega. Crédit : NASA/JPL-Caltech

(Phys.org) - Les astronomes ont découvert ce qui semble être une grande ceinture d'astéroïdes autour de l'étoile Vega, la deuxième étoile la plus brillante du ciel nocturne du nord. Les scientifiques ont utilisé les données du télescope spatial Spitzer de la NASA et de l'observatoire spatial Herschel de l'Agence spatiale européenne, dans lesquels la NASA joue un rôle important.

La découverte d'une bande de débris en forme de ceinture d'astéroïdes autour de Vega rend l'étoile similaire à une autre étoile observée appelée Fomalhaut. Les données sont cohérentes avec le fait que les deux étoiles ont des ceintures intérieures chaudes et des ceintures extérieures froides séparées par un espace. Cette architecture est similaire aux ceintures d'astéroïdes et de Kuiper de notre propre système solaire.

Qu'est-ce qui maintient l'écart entre les ceintures chaudes et froides autour de Vega et Fomalhaut ? Les résultats suggèrent fortement que la réponse est plusieurs planètes. La ceinture d'astéroïdes de notre système solaire, qui se situe entre Mars et Jupiter, est maintenue par la gravité des planètes telluriques et des planètes géantes, et la ceinture extérieure de Kuiper est sculptée par les planètes géantes.

"Nos résultats font écho aux résultats récents montrant que les systèmes à plusieurs planètes sont communs au-delà de notre soleil", a déclaré Kate Su, astronome à l'observatoire Steward de l'université d'Arizona, à Tucson. Su a présenté les résultats mardi lors de la réunion de l'American Astronomical Society à Long Beach, en Californie, et est l'auteur principal d'un article sur les résultats acceptés pour publication dans le Journal d'Astrophysique.

Les astronomes ont découvert ce qui semble être une grande ceinture d'astéroïdes autour de l'étoile brillante Vega, comme illustré ici à gauche en marron. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Vega et Fomalhaut sont similaires à d'autres égards. Les deux font environ deux fois la masse de notre soleil et brûlent une couleur plus chaude et plus bleue à la lumière visible. Les deux étoiles sont relativement proches, à environ 25 années-lumière. On pense que les étoiles ont environ 400 millions d'années, mais Vega pourrait être plus proche de son 600 millionième anniversaire. Fomalhaut a une seule planète candidate en orbite, Fomalhaut b, qui orbite au bord intérieur de sa ceinture cométaire.

Les télescopes Herschel et Spitzer ont détecté la lumière infrarouge émise par la poussière chaude et froide dans des bandes discrètes autour de Vega et Fomalhaut, découvrant la nouvelle ceinture d'astéroïdes autour de Vega et confirmant l'existence des autres ceintures autour des deux étoiles. Les comètes et les collisions de blocs rocheux reconstituent la poussière dans ces bandes. Les ceintures intérieures de ces systèmes ne peuvent pas être vues en lumière visible car l'éclat de leurs étoiles les éclipse.

Cette image composite en fausses couleurs, prise avec le télescope spatial Hubble, révèle le mouvement orbital de la planète Fomalhaut b. Sur la base de ces observations, les astronomes ont calculé que la planète se trouve sur une orbite hautement elliptique de 2 000 ans. La planète semblera traverser une vaste ceinture de débris autour de l'étoile dans environ 20 ans. Si l'orbite de la planète se trouve dans le même plan que la ceinture, les débris glacés et rocheux de la ceinture pourraient s'écraser dans l'atmosphère de la planète et produire divers phénomènes. Le cercle noir au centre de l'image bloque la lumière de l'étoile brillante, permettant à la lumière réfléchie de la ceinture et de la planète d'être photographiée. Les images de Hubble ont été prises avec le Space Telescope Imaging Spectrograph en 2010 et 2012. Crédit : NASA, ESA et P. Kalas (Université de Californie, Berkeley et SETI Institute)

Les ceintures intérieure et extérieure contiennent beaucoup plus de matériaux que nos propres ceintures d'astéroïdes et de Kuiper. La raison est double : les systèmes stellaires sont beaucoup plus jeunes que le nôtre, qui a eu des centaines de millions d'années de plus pour nettoyer sa maison, et les systèmes se sont probablement formés à partir d'un nuage de gaz et de poussière initialement plus massif que notre système solaire.

L'écart entre les ceintures de débris intérieure et extérieure pour Vega et Fomalhaut correspond également proportionnellement à la distance entre les ceintures d'astéroïdes de notre soleil et de Kuiper. Cette distance correspond à un rapport d'environ 1:10, la ceinture extérieure étant 10 fois plus éloignée de son étoile hôte que la ceinture intérieure. Quant au grand écart entre les deux ceintures, il est probable qu'il y ait plusieurs planètes non détectées, de la taille de Jupiter ou moins, créant une zone sans poussière entre les deux ceintures. Un bon système stellaire de comparaison est HR 8799, qui possède quatre planètes connues qui balayent l'espace entre deux disques de débris similaires.

"Dans l'ensemble, le grand écart entre les ceintures chaudes et froides est un indicateur qui pointe vers plusieurs planètes probablement en orbite autour de Vega et Fomalhaut", a déclaré Su.

Si des planètes invisibles orbitent effectivement autour de Vega et Fomalhaut, ces corps ne resteront probablement pas cachés.

"Les nouvelles installations à venir telles que le télescope spatial James Webb de la NASA devraient être capables de trouver les planètes", a déclaré Karl Stapelfeldt, co-auteur de l'article, chef du laboratoire Exoplanets and Stellar Astrophysics au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.


Les humains pourraient vivre sur une ceinture d'astéroïdes flottante dans l'espace, selon un astrophysicien

Les humains colonisant la ceinture d'astéroïdes peuvent ressembler à de la science-fiction – The Expanse, pour être exact – mais Pekka Janhunen, astrophysicien à l'Institut météorologique finlandais, veut en faire une réalité. Il a récemment publié un article théorisant sur la faisabilité d'une colonie "mégasatellite", reliant des dizaines de millions de kilomètres carrés d'habitats, haut dans l'orbite de la planète naine, Cérès.

Située à des centaines de millions de kilomètres de la Terre, Cérès se trouve dans la ceinture d'astéroïdes entre Mars et Jupiter. Même les télescopes puissants ont du mal à obtenir une image claire de sa surface. Janhunen envisage d'utiliser ses ressources pour construire des habitats rotatifs qui génèrent une gravité artificielle en effectuant une rotation complète toutes les 66 secondes. Un câble d'ascenseur de 636 milles aiderait à acheminer les fournitures de Cérès vers les colonies.

"Ceres a de l'azote pour créer les atmosphères de l'habitat, et il est assez grand pour fournir des ressources presque illimitées", a déclaré Janhunen à Universe Today. Chaque habitat serait similaire à la densité de population des Pays-Bas (environ 13 000 personnes par mile carré), les 56 700 habitants disposant chacun d'environ 21 500 pieds carrés.


4 réponses 4

Comme le dit très succinctement la réponse de jdunlop, "tout meurt". Mais laisse moi te dire précisément comme tout est mort.

L'astéroïde fournit à la Terre une énergie égale à la moitié d'une masse solaire de TNT. Un à 20 000'ième de cette énergie est utilisé pour réduire la Terre en poussière et la projeter aux quatre coins de l'Univers. Environ un centième de cette énergie est utilisé pour pousser les restes de la Terre dans la direction du mouvement de l'astéroïde. Le reste de cette énergie est utilisé pour projeter une pulvérisation omnidirectionnelle de débris voyageant à environ 0,004 fois la vitesse de la lumière et pour chauffer les restes de la Terre à environ un milliard de degrés. En d'autres termes, 99% de l'énergie de l'astéroïde fait une explosion pure et simple.

Cette explosion est suffisamment puissante pour détruire la Lune cent fois. Cette explosion fera l'équivalent de l'explosion de chaque mètre carré de la face proche de Mars (et de toutes les autres planètes intérieures). Avec seulement 4 mois pour évacuer, vous devez mettre une planète ou le Soleil entre vous et la Terre si vous souhaitez survivre, et pour cela vous devrez voler vraiment vite.

Si nous supposons que la boule de plasma qui était autrefois la Terre rayonne de l'énergie après une décroissance exponentielle avec une durée de vie d'environ un jour, similaire à celle de certaines novae, alors la tout Le système solaire recevra plusieurs fois plus d'énergie par mètre carré que Mercure reçoit du Soleil pendant plusieurs jours. Les dommages que cela pourrait causer aux astéroïdes glacés et aux surfaces des planètes extérieures sont énormes.

Même après que la boule de plasma se soit refroidie en dessous de niveaux ridicules, la vague de débris prendrait quelques mois pour se frayer un chemin à travers le système solaire. Cela présenterait une deuxième vague de destruction après l'explosion du fourneau initial.

Pour un observateur éloigné, il apparaîtra que le Soleil a soudainement grandi jusqu'à 12 000 fois plus lumineux (une différence de 10,2 magnitudes apparentes). Le Soleil semblerait revenir à la normale après environ 10 jours selon mes estimations très grossières.

Le système solaire ne sera plus jamais le même. Tous les humains qui réussiraient à survivre découvriraient que les planètes du système solaire sont très différentes de ce qu'elles étaient auparavant.

Si vous souhaitez voir comment je suis arrivé à ces conclusions, lisez la suite.

La masse de l'astéroïde est d'environ 3,7$ imes 10^<22>$ kg. Sa vitesse est d'environ $1.5 imes 10^7$ m/s. Avec un facteur de Lorentz de seulement 1,001, nous pouvons utiliser les formules newtoniennes pour l'énergie cinétique $E=frac<1> <2>m v^2$ et la quantité de mouvement $p=m v$ avec une précision raisonnable. L'astéroïde a une énergie cinétique de $4.2 imes 10^<36>$ J et une quantité de $5.5 imes 10^<29>$ kg m/s.

Pour quelque chose qui interagit avec la Terre, cette énergie est ridiculement grande. Sur la base du tableau des ordres de grandeur (énergie) de Wikipédia (qui est l'un de mes tableaux préférés), l'énergie de liaison gravitationnelle de la Terre n'est que de $2 imes 10^<32>$J. Dépasser cette énergie d'un facteur de 21 000 , cet astéroïde transforme facilement la Terre en une boule de plasma en expansion rapide et de poussière surchauffée projetée aux confins de l'univers.

Mais détruire uniquement la Terre et la déplacer dans les coins les plus éloignés de l'univers ne prend qu'une infime fraction de l'énergie de l'astéroïde. Que devient le reste de l'énergie ?

Élan

Peut-être que cela entre dans la conservation de la quantité de mouvement (bien que je montrerai que ce n'est aussi qu'une infime fraction). La Terre a une masse de $6.0 imes 10^<24>$ kg et une vitesse orbitale de $3.0 imes 10^4$ m/s, donc sa quantité de mouvement a une magnitude de $1.8 imes 10^<29>$ kg m/s, qui est d'un ordre de grandeur comparable à l'élan de l'astéroïde, bien que l'élan de la Terre puisse pointer dans n'importe quelle direction par rapport à l'astéroïde.

Supposons un instant que tous les morceaux de la Terre soient emportés dans la même direction que le mouvement de l'astéroïde, et que l'astéroïde et la Terre se déplacent dans la même direction de sorte que leurs impulsions s'additionnent ( $7.3 imes 10^<29 >$ kg m/s). La vitesse finale de la Terre dans ce scénario est de $1.2 imes 10^5$ m/s, avec une énergie cinétique de $4.3 imes 10^<34>$ J (pour référence, l'énergie cinétique de la Terre avant l'impact est 2,7 $x 10^<33> $ J). C'est à peine 1% de l'énergie fournie par l'astéroïde. Cela signifie que la Terre ne peut pas exploser en ligne droite, mais doit exploser dans toutes les directions afin de se débarrasser de plus d'énergie.

En tant qu'estimation grossière, si nous supposons que l'énergie de l'astéroïde entre dans l'énergie cinétique de ce jet omnidirectionnel, alors nous obtiendrions les décombres à une vitesse de 1,2 $x 10^6$ m/s, ou 0,004 c . Cependant, comme je le dis ci-dessous, une partie de cette énergie servira également à surchauffer les décombres.

Chauffage

Un tel impact impliquerait presque certainement un échauffement substantiel de la Terre. La majeure partie de la Terre est constituée de magma (et de fer, mais le fer a une capacité calorifique inférieure et un point d'ébullition similaire). Votre magma typique sous pression atmosphérique a une capacité calorifique spécifique d'environ 1500 J/kg/K (source : 'Thermodynamic and Transport Properties of Silicate Melts and Magma', Lesher et Spera) et bien que je ne m'attende pas à ce que cela soit très précis à pressions du manteau, c'est probablement le bon ordre de grandeur. Et nous avons déjà fait exploser la Terre en petits morceaux, donc elle n'est plus sous pression.

Pour chauffer la planète entière d'un degré en supposant une capacité thermique spécifique de 1500 J/kg/K, il faudrait 9 $ imes 10^<27>$ J/K. Le point d'ébullition du dioxyde de silicium est de 2950 degrés Celsius. Chauffer la Terre de 3000 degrés coûterait environ 2,7 $x 10^<31>$ J, ce qui est un tout petit fraction de l'énergie de l'astéroïde.

Après avoir transformé la Terre en gaz, nous pouvons approximer sa capacité calorifique comme étant celle d'un gaz monoatomique idéal, qui est de 12,5 J/K/mol (ce n'est pas nécessairement une approximation précise, mais c'est probablement assez bon pour nos besoins). Maintenant, nous avons besoin de la masse molaire de la Terre. Sur la base de la composition de la Terre, la masse molaire moyenne de la Terre est d'environ 56 $x 0,32 + 16 x 0,30 + 28 x 0,15 + 24 x 0,14 = 30,3$ g/mol, soit 0,030 kg/mol. Cela donne une capacité thermique spécifique de 417 J/K/kg. Une masse terrestre de ce gaz aurait une capacité calorifique de 2,5$x 10^<27>$ J/K.

Si nous devions supposer que presque toute l'énergie cinétique de notre astéroïde allait chauffer la Terre, elle atteindrait une température de 1,7 $x 10^9$ K. Plus un milliard de degrés. Sur la base d'un autre excellent tableau, c'est plus de cent fois plus chaud que le noyau du Soleil et c'est la plage de température dans laquelle les réactions de fusion nucléaire sont mesurées. Cette température est ridiculement chaude.

À ce stade, j'ai fait des calculs qui supposent que toute l'énergie va dans le chauffage ou l'énergie cinétique. Il s'agit clairement d'une contradiction. La vraie réponse se situerait quelque part entre ces deux extrêmes. Précisément là où je ne peux pas le dire, même si c'est probablement la moitié à un ordre de grandeur près.

Kaboom ! Tout le monde meurt

Les énergies auxquelles nous avons affaire sont ridicules. Une partie de l'énergie ira dans un jet omnidirectionnel de gravats à hyper-vitesse. Une partie de l'énergie servira à chauffer les restes dans une boule de plasma qui éclipse le Soleil. Quelle que soit la forme de cette énergie, le résultat est très clairement une explosion. Une très grosse explosion.

Comme je l'ai calculé ci-dessus, seulement environ 1% de l'énergie de l'astéroïde est utilisé pour pousser la Terre. Les 99% restants de ces $4.2 imes 10^<36>$ Joules sont utilisés pour faire une explosion avec la même énergie qu'une demi-masse solaire de TNT.

Supposons que nous ayons une onde de choc à expansion sphérique. L'énergie par mètre carré (ou fluence) est donnée par $E/(4pi r^2)$ , où $r$ est la distance en mètres de l'épicentre (c'est-à-dire l'énergie divisée par la surface de l'onde de choc, nous donnant la loi du carré inverse).

La surface de la Lune, qui est à 3,8$x 10^8$ m de la Terre, recevra une fluence de cette explosion de 2,3$x 10^<18>$ J/m $^2$ . C'est l'énergie de onze Tsar Bombas chaque mètre carré. The Moon has a radius of $1.7 imes 10^6$ m, a circular cross-section of $9.1 imes 10^<12>$ m $^2$ , so will receive $2.1 imes 10^<31>$ J from the explosion. The gravitational binding energy of the Moon is only $1.3 imes 10^<29>$ J (approximately).

The explosion is big enough to destroy the Moon a hundred times over.

Clearly, anywhere in Earth orbit is not safe. Not even the Moon would shield you from the explosion. How far away does humanity need to be to be safe, then?

Let's look at a Mars colony, which is the third most likely celestial body for humans to be on (after Earth and the Moon). Mars is between $5.46 imes 10^<10>$ m and $4.01 imes 10^<11>$ m from the Earth, with an average of $2.25 imes 10^<11>$ m (source). Mars will receive a fluence between $2.1 imes 10^<12>$ and $1.1 imes 10^<14>$ J/m $^2$ (unless it is hiding behind the Sun), depending where it is in its orbit. At the low end, this is equivalent to a layer of TNT 300 metres thick (based on a density of 1650 kg/m $^3$ ). At the high end, this is equivalent to three layers of Fat Man nuclear bombs (closely packed, standing on their tails). (The polar regions would be better off than the equator, due to the oblique angle, but only slightly.) This won't destroy Mars, but it would definitely do nasty things to the surface of the planet and would probably destroy all but the most robust of Martian colonies.

This is a problem for humanity. It takes around 7 months to get to Mars with current technology, and in your scenario humanity only has 4 months. Since humanity has no hope of escaping the blast radius, their only hope in this scenario is to sit in space stations and space ships which are sheltering behind planets or the Sun at the time of the explosion. I hope you have some really fast ships.

How long will it last?

While total energy is one metric, another metric is power, or energy per unit time. Knowing the power will tell us how bright the explosion will appear. To know the power, we need to know how long the explosion lasts.

However, calculating this directly would be beyond the scope of this site. So I will assume (as an extremely crude estimate) that our explosion will follow a similar initial energy decay profile as the nova V1500 Cygni, since its light-curve has the data I need and it is also a cosmic explosion. The choice of this nova was very arbitrary and done by inexpert and brief searching, so I cannot guarantee that it is truly representative, but it's probably good for a rough guess.

Over three days the brightness of V1500 Cygni decayed by 3 apparent magnitudes, or a factor of 15.85. If we assume exponential decay $e^<-t/ au>$ , the lifetime $ au$ of V1500 Cygni would be $9.4 imes 10^4$ s, or 26 hours.

From $int_0^infty e^ <-t/ au>dt = au$ , we can say that the peak power output of our explosion is $E/ au = 4.5 imes 10^<31>$ W. From my second favourite table, this is 12,000 times more luminous than the Sun. It has a similar luminosity to Beta Centuri, one of the brightest 'stars' in the sky at a distance of 390 light-years away.

Based on this very crude estimate, the explosion will deliver half of its total energy within the first $6.5 imes 10^4$ s, or 18 hours. This first 1% of the explosion's power, the amount required to destroy the Moon, comes in the first 945 seconds, or 16 minutes.

Of course, this model is fairly crude, as nova light-curves only capture the energy delivered by radiated light. In reality this explosion will have two components - the thermal radiation from the billion degree plasma, and the hyper-velocity wave of matter. The shock wave from the debris cloud would probably deliver the energy more abruptly, but long after the initial thermal shock. At 0.004 c, the blast wave would take 96 days to travel $10^<13>$ m to the edge of the Solar System, so even after the initial thermal blast has cooled off the material blast wave will still be a threat for a couple of months.

It is beyond my capabilities to calculate what fraction of the energy goes into heating and what fraction goes into kinetic energy, but I would guess that they would be within an order of magnitude of 50%. In the following, for simplicity, I assume the energy is all thermal, giving an upper bound. You can scale down the brightness figures proportionally.

Note also that the Earth's center of mass will only be moving a few times faster than its normal orbital velocity, so the Earth will mostly remain inside the Solar System for the duration of this explosion.

But what if we go further away?

Checking this table, the Solar System is only about $10^<13>$ m in radius. If you stood at the edge of the Solar System, you would receive a fluence of $3.3 imes 10^9$ J/m $^2$ , or about 786 kg TNT per square metre, or a layer of TNT half a metre thick. At a peak power of $4.5 imes 10^<31>$ W, we get a peak flux at the edge of the Solar System of $3.5 imes 10^4$ W/m $^2$ , which is about 26 times brighter than the Sun at Earth's orbit. For reference, the solar flux at Mercury's closest approach of 0.3 AU is only 11 times brighter than the Sun at Earth's orbit.

The entire Solar System will roast at temperatures hotter than Mercury for several days until the ball of plasma which used to be the Earth cools down. I hope you have a nice planet for shade.

It is possible that these temperatures might destroy many comets and icy asteroids, wreak havoc on the icy moons, and possibly ablate away some of the atmospheres of the outer planets. And, of course, the inner planets receive a scouring similar to a rain of nuclear warheads.

But what will this look like to an observer in another star system?

The power output (luminosity) of the Sun is $3.846 imes 10^<26>$ W. Our explosion peaks at $4.5 imes 10^<31>$ W. This means an observer will see the Sun flare to be about 12,000 times brighter than normal, or 10.2 apparent magnitudes. At a decay of 1 apparent magnitude per day, the brightness would mostly return to normal after about 10 days, assuming my crude model for the energy radiation holds for that long.

But don't let that fool you. The Solar System might appear to be back to normal from far away, but this explosion has scoured the face of the Solar System and left nothing unscathed. The planets will continue to orbit (besides Earth, of course), but the whole Solar System will bear the scars of this cataclysmic event for the rest of its life.


What is the asteroid belt?

Here is the inner part of our solar system, from the sun to the 5th planet, Jupiter. In this illustration, the asteroid belt is the white donut-shaped cloud. Image via Wikimedia Commons.

Meet the asteroid belt, a place in our solar system where small bodies – mostly rocky and some metallic – orbit the sun. These little worlds are also sometimes called minor planets. They move mostly between the orbits of the fourth planet Mars and fifth planet Jupiter. Astronomers once thought they were all that was left of a rocky planet, long ago torn apart by Jupiter’s gravity. Now, most astronomers now think the asteroid belt is just rubble that Jupiter’s gravity prevented from ever coalescing into a planet. Thus the asterids are likely simply leftovers from the ordinary processes that created our solar system, 4.6 billion years ago.

Their name, asteroid, means starlike. They got this name because – in the early 1800s, when the first asteroids were discovered – astronomers thought they looked like stars. And yet their movement in front of the star background, caused by their nearness to us, showed them to be something other than stars.

Measurements of the amount of material in the asteroid belt suggest it contains about enough material – combined together – to form a body smaller than Earth’s moon.

Comprising an estimated one to two million asteroids more than half a mile (about a km) across, plus untold millions of smaller ones, the asteroid belt contains objects which vary wildly in size. The smallest are probably no bigger than pebbles. The biggest object in the asteroid belt was also the first one to be discovered, in the year 1801. It is 1 Ceres, which measures some 587 miles (945 km). Ceres is now classified as a dwarf planet, by the way, by the International Astronomical Union.

This orthographic projection shows the largest body in the asteroid belt – 1 Ceres, discovered in 1801 – now categorized as a dwarf planet by the International Astronomical Union. Ceres is one of several main-belt objects visited by spacecraft. This composite image is from the Dawn spacecraft, still the only earthly spacecraft to have orbited first one body in our solar system (Vesta, 2011 to 2012), then gone on to orbit a second (Ceres, arrived 2015). See the 2 bright spots in Occator Crater? They spawned speculation about alien life on Ceres, but turned out to be salt deposits. This image is made from views Dawn took during its low-altitude mapping orbit, at about 240 miles (385 km) above the surface. Image via NASA.

Outer space is vast. And thus, despite there being many millions (possibly billions) of objects in the asteroid belt, the average distance between them is 600,000 miles (about a million km). This means that spacecraft can fly through the asteroid belt without colliding with any asteroids, although, obviously, a chance collision can never be ruled out completely. The asteroid belt is certainly nothing like the densely-packed asteroid fields depicted in fantasies like “Star Wars” and its ilk.

Standing on any asteroid in the belt, you would likely be unable to see any other asteroids, because of their distance.

The asteroid belt lies between 2.2 and 3.2 astronomical units (AU) from our sun. One AU is the distance between the Earth and sun. So the width of the asteroid belt is roughly 1 AU, or 92 million miles (150 million km).

Its thickness is similarly about 1 AU thick.

Here’s asteroid 4 Vesta – discovered in 1807 – the 2nd-biggest asteroid after Ceres. The Dawn spacecraft orbited Vesta from July 2011 to September 2012. A towering mountain at this asteroid’s south pole – more than twice the height of Mount Everest – is visible at the bottom of the image. The set of three craters known as the “snowman” can be seen at the top left. Image via NASA.

The asteroid belt is often referred to as the “main” belt to distinguish it from other, smaller groups of asteroids in the solar system such as the Lagrangians (for example, Trojan asteroids orbiting in Jupiter’s orbit around the sun) and Centaurs in the outer solar system.

What was thought to be a homogeneous belt is now known to be slightly more complicated. There are different and distinct zones within the main belt asteroids, especially at its peripheries, where astronomers now recognize the Hungaria group at the inner edge and the Cybele asteroids at the outer. Toward the middle of the belt there is the highly-inclined Phocaea family.

In addition, astronomers have established that the age of asteroids in the main belt also varies. They’ve now classified several asteroid groupings by their age including the Karin family, a group of about 90 main-belt asteroids that share an orbit and are thought to have come from a single object an estimated 5.7 million years ago. And there is the Veritas family, from an estimated 8.3 million years ago. A very recent group is the Datura family, dating from just 530,000 years ago from a collision.

In order to be round, a body in space has to have enough internal mass to have strong-enough gravity to have pulled itself into the shape of a ball. Most asteroids don’t accomplish this, and thus they come in all sorts of shapes. Here is asteroid 433 Eros – discovered in 1898 – now famous as the 1st asteroid ever to be orbited by a spacecraft, NEAR Shoemaker, in 1998. This object is considered a main-belt asteroid: although its orbit crosses that of Mars, it doesn’t quite reach that of Earth. Yet it’s also considered a near-Earth asteroid … a subject for another day! Image via NASA.

Bottom line: The asteroid belt is a region of our solar system – between the orbits of Mars and Jupiter – in which many small bodies orbit our sun.


Spitzer Sees an Alien Asteroid Belt

NASA’s Spitzer Space Telescope has spotted what may be the dusty spray of asteroids banging together in a belt that orbits a star like our Sun. The discovery offers astronomers a rare glimpse at a distant star system that resembles our home, and may represent a significant step toward learning if and where other Earths form.

“Asteroids are the leftover building blocks of rocky planets like Earth,” said Dr. Charles Beichman of the California Institute of Technology, Pasadena, Calif. Beichman is lead author of a paper that will appear in the Astrophysical Journal. “We can’t directly see other terrestrial planets, but now we can study their dusty fossils.”

Asteroid belts are the junkyards of planetary systems. They are littered with the rocky scraps of failed planets, which occasionally crash into each other, kicking up plumes of dust. In our own solar system, asteroids have collided with Earth, the moon and other planets.

If confirmed, the new asteroid belt would be the first detected around a star about the same age and size as our Sun. The star, called HD69830, is located 41 light-years away from Earth. There are two other known distant asteroid belts, but they circle younger, more massive stars.

While this new belt is the closest known match to our own, it is not a perfect twin. It is thicker than our asteroid belt, with 25 times as much material. If our solar system had a belt this dense, its dust would light up the night skies as a brilliant band.

The alien belt is also much closer to its star. Our asteroid belt lies between the orbits of Mars and Jupiter, whereas this one is located inside an orbit equivalent to that of Venus.

Yet, the two belts may have one important trait in common. In our solar system, Jupiter acts as an outer wall to the asteroid belt, shepherding its debris into a series of bands. Similarly, an unseen planet the size of Saturn or smaller may be marshalling this star’s rubble.

One of NASA’s future planet-hunting missions, SIM PlanetQuest, may ultimately identify such a planet orbiting HD 69830. The mission, which will detect planets as small as a few Earth masses, is scheduled to launch in 2011.

Beichman and colleagues used Spitzer’s infrared spectrograph to observe 85 Sun-like stars. Only HD 69830 was found to possibly host an asteroid belt. They did not see the asteroids themselves, but detected a thick disk of warm dust confined to the inner portion of the star system. The dust most likely came from an asteroid belt in which dusty smash-ups occur relatively frequently, about every 1,000 years.

“Because this belt has more asteroids than ours, collisions are larger and more frequent, which is why Spitzer could detect the belt,” said Dr. George Rieke, University of Arizona, Tucson, co-author of the paper. “Our present-day solar system is a quieter place, with impacts of the scale that killed the dinosaurs occurring only every 100 million years or so.”

To confirm that the dust detected by Spitzer is indeed ground-up asteroids, a second less-likely theory will have to be ruled out. According to the astronomers, it is possible a giant comet, almost as big as Pluto, got knocked into the inner solar system and is slowly boiling away, leaving a trail of dust. This hypothesis came about when the astronomers discovered the dust around the star consists of small silicate crystals like those found in comet Hale-Bopp. One of these crystals is the bright green-colored gem called forsterite.

“The ‘super comet’ theory is more of a long shot,” Beichman said, “but we’ll know soon enough.” Future observations of the star using Spitzer and ground-based telescopes are expected to conclude whether asteroids or comets are the source of the dust.

Other authors of this study include G. Bryden, T. Gautier, K. Stapelfeldt and M. Werner of NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif. and K. Misselt, J. Stansberry and D. Trilling of the University of Arizona.


How did the asteroid belt form?

The classical view is that the asteroid belt formed within the gassy, dusty disc swirling around the primordial Sun, as a swarm of leftover planetesimals, with an initial mass of perhaps several Earth masses in total.

Over time, so this hypothesis goes, 99.9% of this material was ejected out of this orbital region by gravitational interactions from the planets (including the possible early migration of Jupiter and Saturn)

So the asteroid belt we observe today represents the remnants of a heavily depleted reservoir of planetesimals.

But the opposite process could explain the characteristics of the modern asteroid belt too.

Perhaps this orbital region actually started with no rocky material in it at all, and it has been filled up over Solar System history with planetesimals born elsewhere in the Solar System.

In this way, the sculpting of the asteroid belt may be a story of accumulation rather than depletion.

One clue to what happened, say Raymond and Nesvorný, may be provided by the two largest asteroids, Ceres and Vesta.

While Ceres and Vesta currently occupy relatively close orbits (indeed, there’s a chance they may collide in the next billion years or so) it is likely that they actually formed in vastly different environments in the primordial Solar System.

NASA’s Dawn space probe confirmed that Ceres is rich in water ice and has a composition most similar to carbonaceous chondrite meteorites.

This giant asteroid is thought to have formed in the cold outer Solar System, but was dislodged and implanted into the asteroid belt by the formation of the gas giants.

Vesta’s composition, on the other hand, suggests that it was scattered into the asteroid belt from its birthplace much closer to the Sun. A mark for accumulation perhaps?

Prof Lewis Dartnell is an astrobiologist at the University of Westminster. Lewis was readingOrigin and dynamical evolution of the asteroid belt by Sean N. Raymond and David Nesvorný. Read it online at arxiv.org.

This article originally appeared in the March 2021 issue ofBBC Sky at Night Magazine.


Why Isn’t the Asteroid Belt a Planet?

Beyond the orbit of Mars lies the asteroid belt its a vast collection of rocks and ice, leftover from the formation of the solar system. It starts about 2 AU, ends around 4 AU. Objects in the asteroid belt range from tiny pebbles to Ceres at 950 km across.

Star Wars and other sci-fi has it all wrong. The objects here are hundreds of thousand of kilometers apart. There’d be absolutely no danger or tactical advantage to flying your spacecraft through it.

To begin with, there actually isn’t that much stuff in the asteroid belt. If you were to take the entire asteroid belt and form it into a single mass, it would only be about 4% of the mass of our Moon. Assuming a similar density, it would be smaller than Pluto’s moon Charon.

There’s a popular idea that perhaps there was a planet between Mars and Jupiter that exploded, or even collided with another planet. What if most of the debris was thrown out of the solar system, and the asteroid belt is what remains?

We know this isn’t the case for a few of reasons. First, any explosion or collision wouldn’t be powerful enough to throw material out of the Solar System. So if it were a former planet we’d actually see more debris.

Second, if all the asteroid belt bits came from a single planetary body, they would all be chemically similar. The chemical composition of Earth, Mars, Venus, etc are all unique because they formed in different regions of the solar system. Likewise, different asteroids have different chemical compositions, which means they must have formed in different regions of the asteroid belt. Artist’s depiction of the asteroid belt between Mars and Jupiter. Credit: David Minton and Renu Malhotra

In fact, when we look at the chemical compositions of different asteroids we see that they can be grouped into different families, with each having a common origin. This gives us a clue as to why a planet didn’t form where the asteroid belt is.

If you arrange all the asteroids in order of their average distance from the Sun, you find they aren’t evenly distributed. Instead you find a bunch, then a gap, then a bunch more, then another gap, and so on. These gaps in the asteroid belt are known as Kirkwood gaps, and they occur at distances where an orbit would be in resonance with the orbit of Jupiter.

Jupiter’s gravity is so strong, that it makes asteroid orbits within the Kirkwood gaps unstable. It’s these gaps that prevented a single planetary body from forming in that region. So, because of Jupiter, asteroids formed into families of debris, rather than a single planetary body.

Qu'est-ce que tu penses? What’s your favorite object in the asteroid belt. Tell us in the comments below.