De planetoïdengordel is een torusvormig gebied dat zich ongeveer uitstrekt over de ruimte tussen de banen van Jupiter en Mars, met talrijke onregelmatig gevormde lichamen die gemiddeld ongeveer een miljoen kilometer van elkaar verwijderd zijn. Dat laatste detail verrast de meeste mensen: hoe druk sciencefiction het ook laat lijken, de planetoïdengordel bestaat vrijwel volledig uit lege ruimte, met rotsachtige lichamen die over enorme afstanden van elkaar verspreid liggen.
De planetoïdengordel is de binnenste en kleinste circumstellaire schijf in het zonnestelsel. De totale massa wordt geschat op 3% van die van de Maan, waarvan ongeveer 60% geconcentreerd is in de vier grootste planetoïden: Ceres, Vesta, Pallas en Hygiea. Met andere woorden: bijna alles in de gordel is óf een van deze vier relatief substantiële lichamen, óf een enorme verspreiding van veel kleiner puin.
Zelfs de grootste bewoner is niet erg groot. Ceres, het enige object in de planetoïdengordel dat groot genoeg is om als dwergplaneet te worden geclassificeerd, heeft een diameter van ongeveer 950 km, terwijl Vesta, Pallas en Hygiea gemiddelde diameters van minder dan 600 km hebben. Geen van hen komt ook maar in de buurt van planetaire schaal.
Eerst een voorspelde leemte, dan een ontdekking
De locatie van de gordel werd niet bij toeval gevonden. Astronomen vermoedden al decennialang, op basis van patronen in de afstanden tussen de bekende planeten, dat er iets tussen Mars en Jupiter moest zitten, nog voordat iemand het daadwerkelijk vond. Op 1 januari 1801 ontdekte Giuseppe Piazzi een piepklein bewegend object met een baan die exact overeenkwam met de straal die door dat patroon werd voorspeld. Ongeveer 15 maanden later ontdekte Heinrich Olbers een tweede object in hetzelfde gebied, Pallas — en al snel werd duidelijk dat dit niet één ontbrekende planeet was, maar iets heel anders.
Dat 'iets anders' was verleidelijk te verklaren als de overblijfselen van een planeet. In 1802 opperde Olbers tegenover Herschel en Gauss dat Ceres en Pallas fragmenten waren van een veel grotere, vernietigde planeet, maar de enorme hoeveelheid energie die nodig zou zijn om een planeet te vernietigen, samen met de lage totale massa van de gordel, ondersteunt die hypothese niet. De gordel is nooit een planeet geweest die uiteenviel — het was een planeet die nooit de kans kreeg om te ontstaan.
Snel gevormd, daarna grotendeels weggevaagd
Het blijkt dat de vormingsgeschiedenis van de gordel opmerkelijk snel is verlopen. Een studie uit 2007 naar zirkoonkristallen in een Antarctisch meteoriet, waarvan wordt aangenomen dat hij van Vesta afkomstig is, suggereerde dat Vesta — en bij uitbreiding de rest van de planetoïdengordel — binnen 10 miljoen jaar na het ontstaan van het zonnestelsel is gevormd, een geologisch ogenblik naar planetaire maatstaven.
Wat niet overleefde, was de oorspronkelijke massa van de gordel. Het grootste deel van het oorspronkelijke materiaal van de planetoïdengordel werd binnen ongeveer 1 miljoen jaar na de vorming weggeslingerd door zwaartekrachtsverstoringen, waardoor minder dan 0,1% van de massa van de oorspronkelijke gordel overbleef; de oorspronkelijke populatie wordt geschat op 200 keer de huidige omvang. De zwaartekracht van Jupiter voorkwam in feite dat hier een planeet ontstond en gooide vervolgens bijna al het ruwe materiaal weg dat er een had kunnen vormen.
Wat er werkelijk overblijft
Ondanks dit dramatische verlies is wat overblijft nog altijd substantieel in aantal, al niet in massa. Meer dan 200 planetoïden in de gordel zijn groter dan 100 km, en infraroodonderzoeken suggereren dat de gordel tussen de 700.000 en 1,7 miljoen planetoïden met een diameter van 1 km of meer bevat. Het is een werkelijk enorme populatie objecten, alleen verspreid over een werkelijk enorm volume ruimte.
De samenstelling varieert met de afstand tot de Zon. S-type (silicaatrijke) planetoïden vormen ongeveer 17% van de totale planetoïdenpopulatie en komen vaker voor in het binnenste gebied van de gordel, binnen 2,5 AE van de Zon — een herinnering dat de gordel geen uniforme ring van identiek puin is, maar een gezoneerde structuur die gevormd is door temperatuur en vormingsgeschiedenis.
De leemtes die Jupiter uitsneed
Niet elke afstand tot de Zon binnen de gordel is even dicht bevolkt. In 1866 ontdekte Daniel Kirkwood leemtes in de baanafstanden van de gordel, veroorzaakt door resonanties met Jupiter; bij de 3:1-resonantie, op 2,502 AE van de Zon, zou een planetoïde drie keer om de Zon draaien voor elke omloop die Jupiter voltooit. Objecten die zich precies op deze resonante afstanden zouden bevinden, worden na verloop van tijd zwaartekrachtsmatig gedestabiliseerd en verdwijnen, waardoor opvallende lege banden ontstaan.
Die resonanties bepalen ook de randen van de gordel. De 4:1-baanresonantie met Jupiter, op een straal van 2,06 AE, kan worden beschouwd als de binnengrens van de planetoïdengordel. En de dichtheid is niet gelijk over de hele structuur: vanaf 2006 bevatte het compacte 'kern'-gebied van de hoofdgordel, gelegen tussen de sterke Kirkwood-leemtes 4:1 en 2:1 op 2,06 en 3,27 AE, 93% van alle ontdekte en genummerde kleine planeten in het zonnestelsel. Bijna de gehele bekende populatie is samengepakt in een vrij smalle band, met een veel schaarsere verspreiding daarbuiten.
Een gordel die zichzelf blijft verbrijzelen
De planetoïdengordel is geen statisch museum van overgebleven materiaal — hij botst nog steeds actief met zichzelf. Inslaggebeurtenissen tussen hoofdgordellichamen met een gemiddelde straal van 10 km worden verwacht ongeveer eens per 10 miljoen jaar plaats te vinden, een langzame maar gestage roffel van vernietiging die de populatie van de gordel op kosmische tijdschalen blijft hervormen.
Die botsingen laten een vingerafdruk achter die astronomen kunnen traceren. In 1918 merkte de Japanse astronoom Kiyotsugu Hirayama op dat de banen van sommige planetoïden vergelijkbare parameters deelden, waarmee hij de eerste planetoïdenfamilies identificeerde; er zijn nu ongeveer 20 tot 30 associaties die waarschijnlijk planetoïdenfamilies zijn — clusters van fragmenten die nog steeds uiteendrijven vanaf een gedeeld moederlichaam. De Flora-familie, een van de grootste planetoïdenfamilies met meer dan 13.000 bekende leden, is mogelijk ontstaan uit een botsing van minder dan 1 miljard jaar geleden. Sommige botsingen zijn nog veel recenter: de Karin-familie zou ongeveer 5,7 miljoen jaar geleden zijn ontstaan uit een botsing met een oorspronkelijke planetoïde met een straal van 33 km — recent genoeg, op de tijdschaal van het zonnestelsel, om nog steeds als geologisch vers puin te worden beschouwd.
Een deel van dat puin bereikt uiteindelijk de Aarde. Van de 50.000 meteorieten die tot nu toe op Aarde zijn gevonden, wordt aangenomen dat 99,8% afkomstig is uit de planetoïdengordel — bijna elke rots die een val door de dampkring van de Aarde overleeft, herleidt zijn oorsprong tot datzelfde verspreide gebied tussen Mars en Jupiter.
Bezocht, omcirkeld en in kaart gebracht
Meer dan een halve eeuw geleden doorkruisten ruimtesondes dit gebied voor het eerst. De eerste ruimtesonde die de planetoïdengordel doorkruiste was Pioneer 10, die op 16 juli 1972 het gebied binnenkwam en bewees dat een sonde er doorheen kon zonder door puin te worden vernietigd, ondanks de vroege angst voor botsingsrisico's.
Decennia later stopte een speciale missie eindelijk om van dichtbij te kijken. Dawn, in september 2007 door NASA gelanceerd, ging op 16 juli 2011 in een baan om Vesta en voltooide een verkenningsmissie van 14 maanden voordat hij vertrok naar Ceres, waar hij op 6 maart 2015 in een baan om Ceres ging — waarmee twee van de grootste bewoners van de gordel veranderden van verre lichtpuntjes in in kaart gebrachte, gefotografeerde werelden.