Pas planetoid to obszar w kształcie torusa, rozciągający się mniej więcej między orbitami Jowisza i Marsa, zawierający wiele nieregularnie ukształtowanych ciał, które przeciętnie są od siebie oddalone o około milion kilometrów. Ten ostatni szczegół zaskakuje większość ludzi: mimo że science fiction przedstawia go jako niezwykle zatłoczony, pas planetoid to niemal całkowicie pusta przestrzeń, w której skaliste ciała są rozrzucone w ogromnych odległościach od siebie.
Pas planetoid jest najbardziej wewnętrznym i najmniejszym dyskiem okołogwiazdowym w Układzie Słonecznym. Szacuje się, że jego całkowita masa wynosi 3% masy Księżyca, przy czym około 60% tej masy przypada na cztery największe planetoidy: Ceres, Westę, Pallas i Hygieę. Innymi słowy, niemal wszystko w pasie to albo jedno z tych czterech stosunkowo dużych ciał, albo ogromne rozproszenie znacznie mniejszych szczątków.
Nawet największy mieszkaniec pasa nie jest zbyt duży. Ceres, jedyny obiekt w pasie planetoid na tyle duży, by zostać zaklasyfikowanym jako planeta karłowata, ma średnicę około 950 km, podczas gdy Westa, Pallas i Hygiea mają średnią średnicę mniejszą niż 600 km. Żaden z nich nawet nie zbliża się do skali planety.
Przewidziana luka, a potem odkrycie
Lokalizacja pasa nie została odkryta przez przypadek. Astronomowie podejrzewali, że między Marsem a Jowiszem coś się znajduje, już od dziesięcioleci przed jego odkryciem, na podstawie wzorców w rozmieszczeniu znanych planet. 1 stycznia 1801 roku Giuseppe Piazzi odkrył niewielki poruszający się obiekt o orbicie dokładnie odpowiadającej promieniowi przewidywanemu przez ten wzorzec. Około 15 miesięcy później Heinrich Olbers odkrył w tym samym rejonie drugi obiekt, Pallas — i szybko stało się jasne, że nie chodzi o pojedynczą brakującą planetę, lecz o coś zupełnie innego.
To "coś innego" kusiło, by wyjaśnić je jako pozostałości planety. W 1802 roku Olbers zasugerował Herschelowi i Gaussowi, że Ceres i Pallas są fragmentami znacznie większej, zniszczonej planety, jednak ogromna ilość energii potrzebnej do zniszczenia planety, w połączeniu z niewielką łączną masą pasa, nie potwierdza tej hipotezy. Pas nigdy nie był planetą, która się rozpadła — był planetą, która od początku nie miała szansy się uformować.
Szybko uformowany, a potem w większości zmieciony
Historia formowania się pasa okazała się zaskakująco szybka. Badanie kryształów cyrkonu z 2007 roku, przeprowadzone na antarktycznym meteorycie uznawanym za pochodzący z Westy, sugerowało, że Westa, a co za tym idzie reszta pasa planetoid, uformowała się w ciągu 10 milionów lat od powstania Układu Słonecznego — geologiczne mgnienie oka według standardów planetarnych.
To, co nie przetrwało, to pierwotna masa pasa. Większość pierwotnego materiału pasa planetoid została wyrzucona w ciągu około 1 miliona lat od uformowania na skutek zaburzeń grawitacyjnych, pozostawiając mniej niż 0,1% masy pierwotnego pasa; szacuje się, że pierwotna populacja była 200 razy większa niż obecnie. Grawitacja Jowisza w istocie uniemożliwiła powstanie planety w tym miejscu, a następnie wyrzuciła niemal cały surowy materiał, z którego mogłaby ona powstać.
Co właściwie pozostało
Mimo tej dramatycznej utraty materii to, co pozostało, wciąż jest liczebnie znaczące, choć nie pod względem masy. Ponad 200 planetoid w pasie ma ponad 100 km średnicy, a badania w podczerwieni sugerują, że pas zawiera od 700 000 do 1,7 miliona planetoid o średnicy 1 km lub większej. To naprawdę ogromna populacja obiektów, po prostu rozproszona w naprawdę ogromnej objętości przestrzeni.
Skład zmienia się w zależności od odległości od Słońca. Planetoidy typu S (bogate w krzemiany) stanowią około 17% całej populacji planetoid i są częstsze w wewnętrznym obszarze pasa, w odległości do 2,5 j.a. od Słońca — co przypomina, że pas nie jest jednolitym pierścieniem identycznego gruzu, lecz strukturą podzieloną na strefy, ukształtowaną przez temperaturę i historię formowania się.
Luki wyżłobione przez Jowisza
Nie każda odległość od Słońca w obrębie pasa jest zaludniona równomiernie. W 1866 roku Daniel Kirkwood odkrył luki w odległościach orbitalnych pasa, spowodowane rezonansami z Jowiszem; przy rezonansie 3:1, w odległości 2,502 j.a. od Słońca, planetoida okrążałaby Słońce trzy razy na każdy jeden obieg Jowisza. Obiekty, które znajdowałyby się dokładnie w tych rezonansowych odległościach, z czasem ulegają destabilizacji grawitacyjnej i zostają usunięte, pozostawiając wyraźnie widoczne puste pasma.
Te rezonanse wyznaczają również granice pasa. Rezonans orbitalny 4:1 z Jowiszem, przy promieniu 2,06 j.a., można uznać za wewnętrzną granicę pasa planetoid. A zagęszczenie nie jest jednakowe w całej strukturze: według stanu na 2006 rok, zwarty obszar "jądra" głównego pasa, leżący między silnymi lukami Kirkwooda 4:1 i 2:1 przy 2,06 i 3,27 j.a., zawierał 93% wszystkich odkrytych i ponumerowanych małych planet Układu Słonecznego. Niemal cała znana populacja jest skupiona w dość wąskim pasie, z dużo rzadszym rozproszeniem poza nim.
Pas, który wciąż sam się rozpada
Pas planetoid nie jest statycznym muzeum pozostałego materiału — wciąż aktywnie zderza się sam ze sobą. Oczekuje się, że zdarzenia uderzeniowe między ciałami głównego pasa o średnim promieniu 10 km występują mniej więcej raz na 10 milionów lat — powolny, ale stały rytm destrukcji, który wciąż na nowo kształtuje populację pasa w skali kosmicznych czasokresów.
Te zderzenia pozostawiają ślad, który astronomowie mogą prześledzić. W 1918 roku japoński astronom Kiyotsugu Hirayama zauważył, że orbity niektórych planetoid mają podobne parametry, identyfikując pierwsze rodziny planetoid; obecnie istnieje około 20 do 30 zgrupowań, które prawdopodobnie są rodzinami planetoid — skupiskami fragmentów wciąż oddalających się od wspólnego ciała macierzystego. Rodzina Flora, jedna z największych rodzin planetoid, licząca ponad 13 000 znanych członków, mogła powstać w wyniku zderzenia mniej niż 1 miliard lat temu. Niektóre zderzenia są znacznie bardziej niedawne: rodzina Karin najwyraźniej powstała około 5,7 miliona lat temu w wyniku zderzenia z planetoidą macierzystą o promieniu 33 km — na tyle niedawno, w skali czasowej Układu Słonecznego, by wciąż uznawać ją za geologicznie świeże szczątki.
Część tych szczątków w końcu dociera do Ziemi. Spośród 50 000 meteorytów odnalezionych dotąd na Ziemi, 99,8% ma pochodzić z pasa planetoid — niemal każdy głaz, który przetrwa upadek przez ziemską atmosferę, wywodzi się z tego samego rozproszonego obszaru między Marsem a Jowiszem.
Odwiedzony, okrążony i skartografowany
Sondy kosmiczne po raz pierwszy przekroczyły ten obszar ponad pół wieku temu. Pierwszą sondą kosmiczną, która przeleciała przez pas planetoid, była Pioneer 10, która weszła w ten region 16 lipca 1972 roku, dowodząc, że sonda może go przelecieć bez zniszczenia przez szczątki, mimo wczesnych obaw o ryzyko kolizji.
Dziesięciolecia później dedykowana misja w końcu zatrzymała się, by przyjrzeć się temu bliżej. Sonda Dawn, wystrzelona przez NASA we wrześniu 2007 roku, weszła na orbitę wokół Westy 16 lipca 2011 roku i zakończyła 14-miesięczną misję badawczą, zanim odleciała w kierunku Ceres, wchodząc na orbitę wokół Ceres 6 marca 2015 roku — zamieniając dwóch największych mieszkańców pasa z odległych punktów światła w skartografowane, sfotografowane światy.