Asteroidivyöhyke on toruksen muotoinen alue, joka ulottuu suunnilleen Jupiterin ja Marsin ratojen väliseen tilaan ja sisältää lukuisia epäsäännöllisen muotoisia kappaleita, jotka ovat keskimäärin noin miljoonan kilometrin päässä toisistaan. Tämä viimeinen yksityiskohta yllättää useimmat: vaikka scifi kuvaa sen usein täpötäydeksi, asteroidivyöhyke on lähes kokonaan tyhjää avaruutta, jossa kivikappaleet ovat hajallaan valtavien etäisyyksien päässä toisistaan.
Asteroidivyöhyke on aurinkokunnan sisin ja pienin tähdenympäryslevy. Sen kokonaismassan arvioidaan olevan 3 % Kuun massasta, ja noin 60 % tästä on keskittynyt neljään suurimpaan asteroidiin: Ceres, Vesta, Pallas ja Hygiea. Toisin sanoen lähes kaikki vyöhykkeellä on joko yksi näistä neljästä suhteellisen suuresta kappaleesta tai valtava joukko paljon pienempää jäännösainesta.
Edes suurin asukas ei ole kovin suuri. Ceres, ainoa asteroidivyöhykkeen kohde, joka on tarpeeksi suuri luokiteltavaksi kääpiöplaneetaksi, on halkaisijaltaan noin 950 km, kun taas Vestan, Pallaksen ja Hygean keskihalkaisijat ovat alle 600 km. Mikään niistä ei ole edes lähellä planeetan kokoluokkaa.
Ennustettu aukko, sitten löytö
Vyöhykkeen sijaintia ei löydetty sattumalta. Tähtitieteilijät olivat epäilleet vuosikymmenten ajan, että Marsin ja Jupiterin väliin kuului jotakin, jo ennen kuin kukaan sen löysi — epäily perustui tunnettujen planeettojen etäisyyksissä havaittuun kaavaan. Giuseppe Piazzi löysi 1. tammikuuta 1801 pienen liikkuvan kohteen, jonka rata vastasi tarkalleen tuon kaavan ennustamaa sädettä. Noin 15 kuukautta myöhemmin Heinrich Olbers löysi samalta alueelta toisen kohteen, Pallaksen — ja pian kävi selväksi, ettei kyse ollut yhdestä puuttuvasta planeetasta vaan jostain aivan muusta.
Tuota "jotain muuta" oli houkuttelevaa selittää planeetan jäänteiksi. Vuonna 1802 Olbers ehdotti Herschelille ja Gaussille, että Ceres ja Pallas olivat paloja paljon suuremmasta, tuhoutuneesta planeetasta, mutta planeetan tuhoamiseen tarvittava valtava energiamäärä yhdistettynä vyöhykkeen pieneen kokonaismassaan ei tue tätä hypoteesia. Vyöhyke ei koskaan ollut planeetta, joka hajosi — se oli planeetta, joka ei koskaan saanut tilaisuutta muodostua alun perinkään.
Nopeasti koottu, sitten enimmäkseen pyyhkäisty pois
Vyöhykkeen syntyaikataulu osoittautuu olleen huomattavan nopea. Vuoden 2007 tutkimus Vestasta peräisin olevaksi uskotun antarktisen meteoriitin zirkonikiteistä viittasi siihen, että Vesta — ja laajemmin koko loppu asteroidivyöhyke — muodostui 10 miljoonan vuoden sisällä aurinkokunnan synnystä, mikä on geologisesti silmänräpäys planeettojen mittakaavassa.
Se, mikä ei säilynyt, oli vyöhykkeen alkuperäinen massa. Suurin osa asteroidivyöhykkeen alkuperäisestä aineksesta sinkoutui pois noin 1 miljoonan vuoden kuluessa muodostumisesta painovoiman häiriöiden vuoksi, ja jäljelle jäi alle 0,1 % alkuperäisen vyöhykkeen massasta; alkuperäisen populaation arvioidaan olleen 200-kertainen nykyiseen verrattuna. Jupiterin painovoima käytännössä esti planeetan muodostumisen tähän paikkaan ja heitti sitten pois lähes kaiken raaka-aineen, josta yksi olisi voinut rakentua.
Mitä oikeasti on jäljellä
Tästä dramaattisesta menetyksestä huolimatta jäljelle jäänyt on edelleen merkittävä määrältään, vaikkei massaltaan. Yli 200 vyöhykkeen asteroidia on halkaisijaltaan yli 100 km, ja infrapunakartoitukset viittaavat siihen, että vyöhykkeellä on 700 000–1,7 miljoonaa asteroidia, joiden halkaisija on vähintään 1 km. Kyse on todella valtavasta kohdejoukosta, joka on vain levittäytynyt todella valtavaan avaruuden tilavuuteen.
Koostumus vaihtelee etäisyyden mukaan Auringosta. S-tyypin (silikaattipitoiset) asteroidit muodostavat noin 17 % koko asteroidipopulaatiosta, ja niitä esiintyy enemmän vyöhykkeen sisäosissa, alle 2,5 AU:n etäisyydellä Auringosta — muistutus siitä, ettei vyöhyke ole yhtenäinen rengas samanlaista kiviainesta, vaan vyöhykkeittäin jakautunut rakenne, jota lämpötila ja syntyhistoria ovat muovanneet.
Jupiterin veistämät aukot
Kaikki etäisyydet Auringosta vyöhykkeen sisällä eivät ole yhtä tiheään asuttuja. Vuonna 1866 Daniel Kirkwood löysi vyöhykkeen ratasäteissä aukkoja, jotka johtuvat Jupiterin kanssa syntyvistä resonansseista; 3:1-resonanssissa, 2,502 AU:n etäisyydellä Auringosta, asteroidi kiertäisi Aurinkoa kolme kertaa jokaista Jupiterin kierrosta kohti. Kohteet, jotka sijaitsisivat juuri näillä resonanssietäisyyksillä, epävakautuvat ajan mittaan painovoiman vaikutuksesta ja poistuvat, jättäen jälkeensä silmiinpistäviä tyhjiä vöitä.
Nämä resonanssit määrittävät myös vyöhykkeen reunat. Jupiterin kanssa syntyvää 4:1-ratasonanssia, joka sijaitsee 2,06 AU:n säteellä, voidaan pitää asteroidivyöhykkeen sisärajana. Eikä tiheys jakaudu tasaisesti koko rakenteessa: vuoden 2006 tietojen mukaan pääasteroidivyöhykkeen tiivis "ydin"-alue, joka sijaitsee vahvojen 4:1- ja 2:1-Kirkwood-aukkojen välissä 2,06 ja 3,27 AU:n kohdalla, sisälsi 93 % kaikista löydetyistä ja numeroiduista pikkuplaneetoista aurinkokunnassa. Lähes koko tunnettu populaatio on ahtautunut melko kapealle vyölle, ja sen ulkopuolella on paljon harvempaa hajontaa.
Vyöhyke, joka jatkaa itsensä hajottamista
Asteroidivyöhyke ei ole staattinen jäljelle jääneen aineksen museo — se törmäilee edelleen aktiivisesti itsensä kanssa. Pääasteroidivyöhykkeen kappaleiden, joiden keskisäde on 10 km, välisten törmäysten odotetaan tapahtuvan noin kerran 10 miljoonassa vuodessa — hidas mutta tasainen tuhon rytmi, joka muokkaa vyöhykkeen kohdejoukkoa jatkuvasti kosmisilla aikaväleillä.
Nämä törmäykset jättävät jäljen, jota tähtitieteilijät voivat jäljittää. Vuonna 1918 japanilainen tähtitieteilijä Kiyotsugu Hirayama huomasi, että joidenkin asteroidien radoilla oli samankaltaisia parametreja, ja tunnisti näin ensimmäiset asteroidiperheet; nykyään tunnetaan noin 20–30 ryhmittymää, joiden uskotaan olevan asteroidiperheitä — sirpalejoukkoja, jotka yhä ajelehtivat erilleen yhteisestä emokappaleesta. Flora-perhe, yksi suurimmista asteroidiperheistä yli 13 000 tunnetulla jäsenellä, saattoi syntyä törmäyksestä alle 1 miljardi vuotta sitten. Osa törmäyksistä on paljon tuoreempia: Karin-perhe näyttää syntyneen noin 5,7 miljoonaa vuotta sitten törmäyksestä 33 km:n säteisen emoasteroidin kanssa — riittävän tuore aurinkokunnan aikamittakaavassa, jotta sitä voidaan yhä pitää geologisesti tuoreena jäännösaineksena.
Osa tästä jäännösaineksesta päätyy lopulta Maahan. Tähän mennessä Maasta löydetyistä 50 000 meteoriitista 99,8 %:n uskotaan olevan peräisin asteroidivyöhykkeeltä — lähes jokainen maapallon ilmakehän läpi pudonnut kivi juontaa alkunsa samalta hajanaiselta alueelta Marsin ja Jupiterin välissä.
Vierailtu, kierretty ja kartoitettu
Avaruusluotaimet ylittivät tämän alueen ensimmäisen kerran yli puoli vuosisataa sitten. Ensimmäinen avaruusluotain, joka ylitti asteroidivyöhykkeen, oli Pioneer 10, joka saapui alueelle 16. heinäkuuta 1972 ja osoitti, että luotain voi kulkea sen läpi tuhoutumatta roskiin, varhaisista törmäysriskiä koskevista peloista huolimatta.
Vuosikymmeniä myöhemmin oma erillinen tehtävä pysähtyi vihdoin tarkastelemaan vyöhykettä läheltä. NASA:n syyskuussa 2007 laukaisema Dawn saapui Vestan kiertoradalle 16. heinäkuuta 2011 ja suoritti 14 kuukautta kestäneen kartoitustehtävän, ennen kuin lähti kohti Cerestä ja saapui Ceresin kiertoradalle 6. maaliskuuta 2015 — muuttaen kaksi vyöhykkeen suurinta asukasta kaukaisista valopisteistä kartoitetuiksi, valokuvatuiksi maailmoiksi.