Пояс астероїдів — це область тороподібної форми, яка приблизно охоплює простір між орбітами Юпітера та Марса і містить безліч тіл неправильної форми, розташованих у середньому на відстані близько мільйона кілометрів одне від одного. Ця остання деталь дивує більшість людей: попри те, наскільки тісним його зображує наукова фантастика, пояс астероїдів — це майже повністю порожній простір, у якому кам'яні тіла розсіяні на величезних відстанях одне від одного.
Пояс астероїдів — це найвнутрішніший і найменший навколозоряний диск у Сонячній системі. Його загальна маса оцінюється у 3% маси Місяця, з яких близько 60% припадає на чотири найбільші астероїди: Цереру, Весту, Палладу та Гігею. Іншими словами, майже все, що є в поясі, — це або одне з чотирьох відносно масивних тіл, або величезна кількість набагато дрібніших уламків.
Навіть найбільший мешканець пояса не такий вже й великий. Церера — єдиний об'єкт пояса астероїдів, достатньо великий, щоб бути класифікованим як карликова планета, — має діаметр близько 950 км, тоді як середні діаметри Вести, Паллади та Гігеї не перевищують 600 км. Жоден із них навіть близько не наближається до планетарного масштабу.
Передбачена прогалина, а потім відкриття
Розташування пояса було виявлено не випадково. Астрономи десятиліттями підозрювали, що між Марсом і Юпітером щось знаходиться, ще до того, як хтось це виявив, — на основі закономірностей у розташуванні відомих планет. 1 січня 1801 року Джузеппе Піацці виявив крихітний рухомий об'єкт з орбітою, що точно відповідала радіусу, передбаченому цією закономірністю. Приблизно через 15 місяців Генріх Ольберс відкрив другий об'єкт у тому ж регіоні — Палладу, — і швидко стало зрозуміло, що це не одна відсутня планета, а щось зовсім інше.
Це "щось інше" було спокусливо пояснити як залишки планети. У 1802 році Ольберс припустив у розмові з Гершелем і Гаусом, що Церера і Паллада є уламками набагато більшої зруйнованої планети, проте величезна кількість енергії, необхідна для знищення планети, у поєднанні з низькою сумарною масою пояса, не підтверджує цю гіпотезу. Пояс ніколи не був планетою, що розкололася, — це була планета, яка так і не отримала шансу сформуватися.
Швидко сформувався, а потім здебільшого був виметений
Виявляється, часовий проміжок формування пояса був напрочуд коротким. Дослідження 2007 року, присвячене кристалам цирконію в антарктичному метеориті, який, як вважається, походить з Вести, показало, що Веста, а отже й решта пояса астероїдів, сформувалася протягом 10 мільйонів років від виникнення Сонячної системи — геологічна мить за планетарними мірками.
Що не вціліло, так це початкова маса пояса. Більша частина початкового матеріалу пояса астероїдів була викинута приблизно протягом 1 мільйона років після формування через гравітаційні збурення, залишивши менш ніж 0,1% маси первинного пояса; за оцінками, первинна популяція була у 200 разів більшою за нинішню. Гравітація Юпітера, по суті, завадила планеті сформуватися тут, а потім розкидала майже весь сировинний матеріал, з якого могла б утворитися планета.
Що насправді залишилося
Попри цю разючу втрату, те, що залишилося, все ще значне за кількістю, хоч і не за масою. Понад 200 астероїдів у поясі мають розмір понад 100 км, а інфрачервоні дослідження свідчать про те, що пояс містить від 700 000 до 1,7 мільйона астероїдів діаметром 1 км або більше. Це справді величезна популяція об'єктів, просто розсіяна на справді величезному просторі.
Склад змінюється залежно від відстані до Сонця. Астероїди S-типу (багаті на силікати) становлять близько 17% загальної популяції астероїдів і частіше трапляються у внутрішній частині пояса, у межах 2,5 а.о. від Сонця, — нагадування про те, що пояс не є однорідним кільцем ідентичних уламків, а зонованою структурою, сформованою температурою та історією формування.
Прогалини, вирізані Юпітером
Не кожна відстань від Сонця в межах пояса заселена однаково. У 1866 році Деніел Кірквуд виявив прогалини в орбітальних відстанях пояса, спричинені резонансами з Юпітером; при резонансі 3:1, на відстані 2,502 а.о. від Сонця, астероїд облітав би Сонце тричі за кожен оберт Юпітера. Об'єкти, які опинилися б саме на цих резонансних відстанях, з часом гравітаційно дестабілізуються і вимітаються, залишаючи помітні порожні смуги.
Ці резонанси також визначають межі пояса. Орбітальний резонанс 4:1 з Юпітером на радіусі 2,06 а.о. можна вважати внутрішньою межею пояса астероїдів. І скупченість нерівномірна по всій структурі: станом на 2006 рік компактна "ядрова" область головного пояса, розташована між сильними прогалинами Кірквуда 4:1 і 2:1 на відстанях 2,06 і 3,27 а.о., містила 93% усіх відкритих і пронумерованих малих планет Сонячної системи. Майже вся відома популяція зосереджена у досить вузькій смузі, з набагато рідшим розсіюванням за її межами.
Пояс, що постійно руйнує сам себе
Пояс астероїдів — це не статичний музей залишкового матеріалу: він досі активно стикається сам із собою. Очікується, що зіткнення між тілами головного пояса із середнім радіусом 10 км відбуваються приблизно раз на 10 мільйонів років — повільний, але стабільний ритм руйнування, який продовжує змінювати популяцію пояса протягом космічних часових масштабів.
Ці зіткнення залишають слід, який астрономи можуть простежити. У 1918 році японський астроном Кійоцугу Хіраяма помітив, що орбіти деяких астероїдів мають подібні параметри, виявивши перші астероїдні сім'ї; наразі відомо близько 20-30 угруповань, які, ймовірно, є астероїдними сім'ями, — скупчень уламків, які досі розходяться від спільного материнського тіла. Сім'я Флори, одна з найбільших астероїдних сімей із понад 13 000 відомих членів, могла сформуватися внаслідок зіткнення менш ніж 1 мільярд років тому. Деякі зіткнення сталися ще пізніше: сім'я Карін, судячи з усього, сформувалася близько 5,7 мільйона років тому внаслідок зіткнення з астероїдом-прабатьком радіусом 33 км — досить нещодавно за мірками Сонячної системи, щоб досі вважатися геологічно свіжими уламками.
Частина цих уламків врешті-решт досягає Землі. З 50 000 метеоритів, знайдених на Землі станом на сьогодні, 99,8%, як вважається, походять з пояса астероїдів — майже кожен камінь, що витримує падіння крізь земну атмосферу, простежує своє походження до цього самого розсіяного регіону між Марсом і Юпітером.
Відвіданий, обльотаний і картографований
Космічні апарати вперше перетнули цю територію понад півстоліття тому. Першим апаратом, що перетнув пояс астероїдів, був Pioneer 10, який увійшов у цю область 16 липня 1972 року, довівши, що зонд може пройти крізь нього, не будучи знищеним уламками, попри ранні побоювання щодо ризику зіткнення.
Через десятиліття спеціалізована місія нарешті зупинилася, щоб придивитися ближче. Апарат Dawn, запущений NASA у вересні 2007 року, вийшов на орбіту навколо Вести 16 липня 2011 року і завершив 14-місячну дослідницьку місію, перш ніж вирушити до Церери, вийшовши на орбіту навколо Церери 6 березня 2015 року, — перетворивши два з найбільших мешканців пояса з далеких точок світла на картографовані, сфотографовані світи.