Mellan Mars och Jupiters banor ligger en skiva av stenar, små kroppar och planetoider som kallas Huvudasteroidbältet . Förekomsten av detta bälte teoretiserades först på 1700-talet, baserat på observationer som indikerade ett regelbundet mönster i solplanets banor. Under det följande århundradet började regelbundna upptäckter göras i rymden mellan Mars och Jupiter, vilket fick astronomer att teoretisera var bältet kom ifrån.
Under lång tid diskuterade forskare om bältet var resterna av en planet som gick sönder, eller rester kvar från det tidiga systemet som misslyckades med att bli en planet . Men a ny studie av ett par astronomer från universitetet i Bordeaux har erbjudit en annan uppfattning. Enligt deras teori började Asteroidbältet som ett tomt utrymme som gradvis fylldes av stenar och skräp med tiden.
För deras studies skull – som nyligen dök upp i tidskriftenVetenskapens framstegunder rubriken ' Det tomma urasteroidbältet ” – Astronomerna Sean N. Raymond och Andre Izidoro vid University of Bordeaux övervägde den nuvarande vetenskapliga konsensusen, som är att huvudbältet en gång var mycket tätare packat och blev uttömt på massa med tiden.
Konstnärens intryck av hur asteroidbältet kunde ha blivit fyllt med asteroider av C-typ och S-typ över tiden. Kredit: Sean Raymond/planetplanet.net
Som Dr. Raymond förklarade för Universe Today via e-post:
'Standardbilden är att solsystemets byggstenar - vad vi kallar planetesimaler, vanligtvis tänkta som kroppar i 10-100 km skala - började i en jämn fördelning över solens planetbildande skiva. Problemet är att det placerar ett par gånger jordens massa i asteroidbältet, där det nu finns mindre än en tusendels jordmassa. Utmaningen i den här bilden är därför att förstå hur bältet tappade 99,9 % av sin massa (men inte 100 %).
Till detta övervägde Dr. Raymond och Dr. Izodoro den alternativa möjligheten att kanske urbältet började som ett tomt utrymme. I enlighet med denna teori fanns det inga planetesimaler – det vill säga Ceres, Vesta, Palla och Hygeia – som kretsade mellan Mars och Jupiter som det är idag. Detta började som ett tankeexperiment som, som Dr. Raymond medger, lät lite galet till en början.
Men han och Dr. Izodoro insåg snart att flera protoplanetära skivor som den de föreställde sig redan hade upptäckts i andra stjärnsystem. Till exempel, 2014 Atacama Large Millimeter/submillimeter Array i Chile fotograferade en planetbildande skiva av damm och gas (aka, en protoplanetär skiva) i HL Tauri-systemet, en mycket ung stjärna som ligger cirka 450 ljusår bort i konstellationen Taurus.
Som bilden (som visas nedan) avslöjade, är dammet i denna skiva inte jämnt, utan består av flera breda områden och mindre täta områden. 'Den exakta förklaringen till strukturen i den här skivan diskuteras fortfarande men i stort sett alla modeller åberopar drivande damm,' sa Raymond. 'Och planetesimaler bildas när drivande damm hopar sig i tillräckligt täta ringar. Så, dammringar borde (tror vi) producera ringar av planetesimaler.'
Bild av den planetbildande skivan HL Tau tagen med Atacama Large Millimeter Array. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
För att testa denna hypotes, konstruerade de en modell av det tidiga solsystemet som inkluderade en tom huvudbältsregion. När de flyttade simuleringen framåt fann de att bildningen av skivan var relaterad till bildningen av de steniga planeterna, och gradvis skulle bli vad vi ser idag. Som Raymond indikerade:
'Vad vi fann är att tillväxten av stenplaneterna inte är 100% effektiv. En bråkdel av planetesimalerna sparkas gravitationsmässigt utåt och strandar i asteroidbältet. Banorna för fångade kroppar matchar nära de för asteroider av S-typ. Effektiviteten för att implantera S-typer i bältet är ganska låg, bara cirka 1 av 1000. Kom dock ihåg att bältet nästan är tomt. Det finns totalt cirka 4 hundra tusendelar av en jordmassa i S-typer i dagens bälte. Våra simuleringar implanterade vanligtvis några gånger så mycket. Med tanke på att några går förlorade under senare utveckling av solsystemet, matchar detta både fördelningen och mängden av asteroider av S-typ i bältet.
De kombinerade sedan denna modell med tidigare arbete som tittade på tillväxten av Jupiter och Saturnus och hur detta skulle påverka solsystemet. I den här studien , visade de att asteroider av C-typ skulle avsättas i bältet över tiden, och att dessa asteroider också skulle vara ansvariga för att leverera vatten till jorden. När de kombinerade distributionen av implanterade asteroider av C-typ och S-typ med sitt nuvarande arbete, fann de att det matchade dagens distribution av asteroider.
Intressant nog är detta inte den första teorin Raymond och Izodoro har kommit med för att ta itu med Asteroidbältets saknade massa. Redan 2011 var Raymond medförfattare till studien som föreslog Grand Tack modell, där han och hans kollegor föreslog att Jupiter migrerade från sin ursprungliga omloppsbana efter att den bildats. Först flyttade planeten närmare Mars nuvarande omloppsbana, sedan tillbaka ut mot där den är idag.
Diagram som jämför två möjliga förklaringar till hur asteroidbältet bildades. Kredit: Sean Raymond/planetplanet.net
I processen skulle asteroidbältet ha rensats, och Mars skulle ha berövats massa, vilket skulle leda till dess ringa storlek - i förhållande till jorden och Venus. Detta löste ett nyckelproblem med klassiska teorier om bildning av asteroidbälten, som var känt som det 'lilla Mars-problemet'. Kort sagt, alla tidigare simuleringar av solplanetbildning tenderade att producera Mars-analoger som var mycket mer massiva än Mars är idag.
Men Grand Tack-hypotesen innehöll fortfarande teoretiska osäkerheter, vilket fick Raymond och Izodoro att överväga teorin om Empty Primordial Belt. 'Vårt nya resultat ger trovärdighet till en alternativ modell där planetesimaler aldrig bildades i asteroidbältet alls,' sa han. 'Olika delar av denna nya alternativa modell har utvecklats under de senaste åren, och jag tror att de blir ett solidt alternativ till Grand Tack-modellen.'
När vi blickar framåt säger Raymond att han och Izodoro hoppas kunna genomföra ytterligare studier och simuleringar för att se om någon av teorierna kan bekräftas eller förfalskas. 'Det är nästa steg', sa han. 'Tills nästa (till synes-) galna idé!'
Vidare läsning: Vetenskapens framsteg , PlanetPlanet