Der Asteroidengürtel ist eine torusförmige Region, die sich ungefähr über den Raum zwischen den Umlaufbahnen von Jupiter und Mars erstreckt und viele unregelmäßig geformte Körper enthält, die im Durchschnitt etwa eine Million Kilometer voneinander entfernt sind. Dieses letzte Detail überrascht die meisten Menschen: Trotz der überfüllten Darstellung in der Science-Fiction ist der Asteroidengürtel fast vollständig leerer Raum, in dem Gesteinskörper über enorme Entfernungen voneinander verstreut sind.
Der Asteroidengürtel ist die innerste und kleinste zirkumstellare Scheibe im Sonnensystem. Seine Gesamtmasse wird auf 3 % der Mondmasse geschätzt, wobei etwa 60 % davon in den vier größten Asteroiden enthalten sind: Ceres, Vesta, Pallas und Hygiea. Nahezu alles im Gürtel ist mit anderen Worten entweder einer der vier relativ massereichen Körper oder eine gewaltige Ansammlung wesentlich kleinerer Trümmer.
Selbst der größte Bewohner ist nicht sehr groß. Ceres, das einzige Objekt im Asteroidengürtel, das groß genug ist, um als Zwergplanet eingestuft zu werden, hat einen Durchmesser von etwa 950 km, während Vesta, Pallas und Hygiea mittlere Durchmesser von weniger als 600 km aufweisen. Keiner von ihnen kommt planetarischen Ausmaßen auch nur nahe.
Eine vorhergesagte Lücke, dann eine Entdeckung
Die Lage des Gürtels wurde nicht zufällig entdeckt. Astronomen vermuteten aufgrund von Mustern in den Abständen der bekannten Planeten schon Jahrzehnte, bevor sie tatsächlich fündig wurden, dass sich zwischen Mars und Jupiter etwas befinden müsse. Am 1. Januar 1801 entdeckte Giuseppe Piazzi ein winziges bewegliches Objekt mit einer Umlaufbahn, die genau dem durch dieses Muster vorhergesagten Radius entsprach. Etwa 15 Monate später entdeckte Heinrich Olbers in derselben Region ein zweites Objekt, Pallas — und schnell wurde klar, dass es sich nicht um einen einzigen fehlenden Planeten handelte, sondern um etwas völlig anderes.
Dieses „etwas völlig andere" ließ sich verlockend leicht als Überrest eines Planeten erklären. 1802 schlug Olbers gegenüber Herschel und Gauss vor, dass Ceres und Pallas Fragmente eines wesentlich größeren, zerstörten Planeten seien, doch die enorme Energiemenge, die zur Zerstörung eines Planeten nötig wäre, spricht zusammen mit der geringen Gesamtmasse des Gürtels gegen diese Hypothese. Der Gürtel war nie ein Planet, der zerbrochen ist — er war ein Planet, der von Anfang an nie die Chance hatte, sich zu bilden.
Schnell entstanden, dann größtenteils weggefegt
Der zeitliche Ablauf der Entstehung des Gürtels erweist sich als bemerkenswert schnell. Eine Studie aus dem Jahr 2007 über Zirkonkristalle in einem antarktischen Meteoriten, von dem man annimmt, dass er von Vesta stammt, legte nahe, dass Vesta – und damit auch der Rest des Asteroidengürtels – innerhalb von 10 Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems entstand, ein geologischer Augenblick nach planetaren Maßstäben.
Was nicht überdauerte, war die ursprüngliche Masse des Gürtels. Der Großteil des ursprünglichen Materials des Asteroidengürtels wurde innerhalb von etwa 1 Million Jahren nach seiner Entstehung durch gravitative Störungen hinausgeschleudert, sodass weniger als 0,1 % der Masse des ursprünglichen Gürtels übrig blieben; die ursprüngliche Population wird auf das 200-Fache der heutigen geschätzt. Die Schwerkraft des Jupiter verhinderte im Grunde die Entstehung eines Planeten an dieser Stelle und schleuderte anschließend fast das gesamte Rohmaterial fort, aus dem einer hätte entstehen können.
Was tatsächlich übrig geblieben ist
Trotz dieses dramatischen Verlusts ist das, was übrig bleibt, zahlenmäßig – wenn auch nicht in der Masse – immer noch beträchtlich. Über 200 Asteroiden im Gürtel sind größer als 100 km, und Infrarot-Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Gürtel zwischen 700.000 und 1,7 Millionen Asteroiden mit einem Durchmesser von 1 km oder mehr enthält. Es handelt sich um eine wirklich riesige Population von Objekten, die sich lediglich über ein wirklich riesiges Raumvolumen verteilt.
Die Zusammensetzung variiert mit dem Abstand zur Sonne. S-Typ-Asteroiden (silikatreich) machen etwa 17 % der gesamten Asteroidenpopulation aus und kommen häufiger im inneren Bereich des Gürtels vor, innerhalb von 2,5 AE von der Sonne — ein Hinweis darauf, dass der Gürtel kein gleichförmiger Ring aus identischem Geröll ist, sondern eine zonierte Struktur, die durch Temperatur und Entstehungsgeschichte geprägt wurde.
Die Lücken, die Jupiter geschaffen hat
Nicht jeder Abstand von der Sonne innerhalb des Gürtels ist gleichmäßig besiedelt. 1866 entdeckte Daniel Kirkwood Lücken in den Umlaufabständen des Gürtels, die durch Resonanzen mit Jupiter verursacht werden; bei der 3:1-Resonanz, 2,502 AE von der Sonne entfernt, würde ein Asteroid die Sonne dreimal umkreisen, während Jupiter einen Umlauf vollendet. Objekte, die genau an diesen Resonanzabständen liegen würden, werden im Laufe der Zeit gravitativ destabilisiert und geräumt, wodurch auffällige leere Bänder entstehen.
Diese Resonanzen definieren auch die Grenzen des Gürtels. Die 4:1-Umlaufresonanz mit Jupiter, bei einem Radius von 2,06 AE, kann als innere Grenze des Asteroidengürtels betrachtet werden. Und die Dichte ist über die gesamte Struktur hinweg nicht gleichmäßig verteilt: Stand 2006 enthielt der kompakte „Kern"-Bereich des Hauptgürtels, der zwischen den starken 4:1- und 2:1-Kirkwood-Lücken bei 2,06 und 3,27 AE liegt, 93 % aller entdeckten und nummerierten Kleinplaneten des Sonnensystems. Nahezu die gesamte bekannte Population ist in ein recht schmales Band gepackt, mit einer weitaus spärlicheren Streuung darüber hinaus.
Ein Gürtel, der sich immer wieder selbst zerlegt
Der Asteroidengürtel ist kein statisches Museum übrig gebliebenen Materials — er kollidiert noch immer aktiv mit sich selbst. Einschlagsereignisse zwischen Hauptgürtel-Körpern mit einem mittleren Radius von 10 km werden schätzungsweise etwa einmal alle 10 Millionen Jahre erwartet, ein langsamer, aber stetiger Rhythmus der Zerstörung, der die Population des Gürtels über kosmische Zeitskalen hinweg immer wieder neu formt.
Diese Kollisionen hinterlassen einen Fingerabdruck, den Astronomen nachverfolgen können. 1918 bemerkte der japanische Astronom Kiyotsugu Hirayama, dass die Umlaufbahnen einiger Asteroiden ähnliche Parameter aufwiesen, und identifizierte so die ersten Asteroidenfamilien; heute gibt es etwa 20 bis 30 Gruppierungen, bei denen es sich wahrscheinlich um Asteroidenfamilien handelt — Ansammlungen von Fragmenten, die noch immer von einem gemeinsamen Mutterkörper wegdriften. Die Flora-Familie, eine der größten Asteroidenfamilien mit mehr als 13.000 bekannten Mitgliedern, könnte vor weniger als 1 Milliarde Jahren durch eine Kollision entstanden sein. Manche Kollisionen liegen noch deutlich näher in der Vergangenheit: Die Karin-Familie entstand offenbar vor etwa 5,7 Millionen Jahren durch eine Kollision mit einem Vorläuferasteroiden von 33 km Radius — auf der Zeitskala des Sonnensystems jung genug, um noch als geologisch frische Trümmer zu gelten.
Ein Teil dieser Trümmer erreicht schließlich die Erde. Von den bisher 50.000 auf der Erde gefundenen Meteoriten sollen 99,8 % ihren Ursprung im Asteroidengürtel haben — nahezu jeder Brocken, der einen Sturz durch die Erdatmosphäre übersteht, lässt sich auf dieselbe verstreute Region zwischen Mars und Jupiter zurückführen.
Besucht, umkreist und kartiert
Raumsonden durchquerten dieses Gebiet erstmals vor mehr als einem halben Jahrhundert. Die erste Raumsonde, die den Asteroidengürtel durchquerte, war Pioneer 10, die am 16. Juli 1972 in die Region eintrat und bewies, dass eine Sonde ihn passieren konnte, ohne trotz anfänglicher Befürchtungen hinsichtlich des Kollisionsrisikos durch Trümmer zerstört zu werden.
Jahrzehnte später hielt schließlich eine eigens dafür konzipierte Mission an, um genauer hinzusehen. Dawn, im September 2007 von der NASA gestartet, trat am 16. Juli 2011 in eine Umlaufbahn um Vesta ein und schloss eine 14-monatige Erkundungsmission ab, bevor sie zu Ceres weiterflog und dort am 6. März 2015 in die Umlaufbahn eintrat — wodurch zwei der größten Bewohner des Gürtels von entfernten Lichtpunkten zu kartierten, fotografierten Welten wurden.