کمربند سیارکی پدیده ای جالب در مورد منظومه شمسی

در قرن هجدهم میلادی، منجمان با رصد تمامی سیارات شناخته شده (عطارد، زهره، زمین، مریخ، مشتری و زحل) به الگوی خاصی در مدارات آن ها پی بردند. سرانجام، این بررسی ها منجر شد به ارایه “قانون تیتیوس-بوده” (Titius–Bode law) که فاصله بین سیارات را پیش بینی می کرد. بر اساس این قانون، به نظر می رسید که فاصله قابل توجهی بین مدار های مریخ و مشتری وجود دارد و تحقیقات بیشتر در این زمینه منجر به یک کشف بزرگ شد.
ستاره شناسان علاوه بر چندین شی بزرگ، بی شمار جسم کوچک را که بین مریخ و مشتری دور می زدند، مشاهده کردند. بعد ها این اجسام را “سیارک” نامیدند و زمانی که به میزان فراوانی آن ها پی بردند، اصطلاح “کمربند سیارکی” را برای توصیفشان پیشنهاد دادند. از آن زمان، این دو اصطلاح بسیار مورد استفاده قرار گرفته و در مدل های نجومی نقش مهمی ایفا کرده اند.

اکتشاف
در اوایل قرن هجدهم میلادی، ستاره شناسی به نام بارون فرانتس ژاور فن تساخ (Baron Franz Xaver von Zach) به امید حل معضلی که قانون تیتیوس-بوده به وجود آورده بود،۲۴ تن از همکارانش را در انجمنی به نام “انجمن نجوم متحده” (United Astronomical Society) گرد هم آورد. در آن زمان، ستاره شناس معروف، ویلیام هرشل (William Herschel) که اورانوس و قمر هایش را در دهه ۱۷۸۰ میلادی کشف کرده بود، هم عضو این انجمن بود.
از قضا، اولین ستاره شناسی که موفق به اکتشاف در این ناحیه شد، کسی نبود جز جوزپه پیاتزی (Giuseppe Piazzi)، استاد نجوم در دانشگاه پالرمو که به انجمن دعوت شده بود اما هنوز دعوت نامه را دریافت نکرده بود. در اولین روز ژانویه سال ۱۸۰۱ میلادی، پیاتزی شی کوچکی را در مداری با شعاعی دقیقا مطابق با پیش بینی قانون تیتیوس-بوده رصد کرد.
وی ابتدا تصور کرد است که آن شی یک ستاره دنباله دار است، اما مشاهدات بعدی نشان دادند که شی مذکور، استارسر (گاز ابر مانندی که هسته ی ستاره ی دنباله دار را احاطه کرده و با آن تشکیل راس استار را می دهد) ندارد. همین باعث شد جوزپه آن شی را، که به نام الهه کشاورزی روم باستان و حافظ شهر سیسیلی (Sicily)، سرس (Ceres) نامیده بود، یک سیاره در نظر بگیرد. ۱۵ ماه بعد، هاینریش اولبرس (Heinrich Olbers)، از اعضای انجمن، شی دیگری در همان ناحیه پیدا کرد. این شی، که بعد ها پالاس ۲ (۲ Pallas) نام گرفت، همانند شی قبلی از لحاظ ظاهری کاملا شبیه ستاره ها بودند. حتی با بیش ترین بزرگ نمایی تلسکوپ ها باز هم به ستاره ها شباهت داشتند. با این وجود، حرکت سریع آن ها نشان می داد که روی یک مدار قرار دارند. بنابراین به پیشنهاد ویلیام هرشل در دسته بندی جدیدی به نام سیارک ها (Asteroids، واژه یونانی معادل شبه ستاره) قرار گرفتند.

تا سال ۱۸۰۷، تحقیقات بیشتر دو شی دیگر را، به نام های “جونو ۳ ” (۳ Juno) و “وستا ۴″ (۴ Vesta)، نمایان ساخت؛ در سال ۱۸۴۵ هم سیارک ” آسترا ۵″ (۵ Astraea) پیدا شد. کمی بعدتر اجسام جدید به سرعت پیدا شدند و تا اوایل دهه ۱۸۵۰ میلادی واژه های سیارک و کمربند سیارکی دیگر اصطلاحاتی عجیب و غریب نبودند. هر چند به منظور جلوگیری از اشتباه شدن با “کمربند کویپر” (Kuiper Belt)، اغلب به جای “کمربند سیارکی” از “کمربند اصلی” استفاده می شود.
تا اواسط سال ۱۸۶۸، حدود ۱۰۰ سیارک شناسایی شد و در سال ۱۸۹۱ با معرفی “عکاسی نجومی” توسط مکس ولف (Max Wolf) این اکتشافات بیش از پیش سرعت گرفت. در مجموع ۱۰۰۰ سیارک تا پایان سال ۱۹۲۱، ۱۰ هزار سیارک تا پایان سال ۱۹۸۱ و ۱۰۰هزار سیارک تا پایان سال ۲۰۰۰ پیدا شدند. امروزه سیستم های بررسی سیارک مدرن با استفاده از روش های اتوماتیک، سیارک های جدید را پیدا می کنند.

ساختار
بر خلاف باور عمومی، بیشتر فضای کمربند سیارکی را فضای خالی تشکیل می دهد و سیارک ها به صورت پراکنده در حجم عظیمی از فضا قرار گرفته اند. تاکنون صد ها هزار سیارک شناخته شده اند و پیش بینی می شود که چندین میلیون سیارک وجود داشته باشد. بیش از ۲۰۰ سیارک، قطری بیش تر از ۱۰۰ کیلومتر دارند و نتیجه یک تحقیق با طول موج های فروسرخ نشان داده است که ۰/۷ تا ۱/۷ میلیون سیارک در این کمربند، قطر ۱ کیلومتر یا بیش تر دارند.

در سمت چپ تصویر، سیارک سرس ( عکس از فضاپیمای داون) و در سمت راست سیارک تتیس (عکس از فضاپیمای کسینی) را در مقیاس نسبی مشاهده می کنید.
در سمت چپ تصویر، سیارک سرس ( عکس از فضاپیمای داون) و در سمت راست سیارک تتیس (عکس از فضاپیمای کسینی) را در مقیاس نسبی مشاهده می کنید.

بر خلاف باور عمومی، بیشتر فضای کمربند سیارکی را فضای خالی تشکیل می دهد و سیارک ها به صورت پراکنده در حجم عظیمی از فضا قرار گرفته اند.

این کمربند، که بین مریخ و مشتری واقع شده است، حدود ۲/۲ تا ۳/۲ واحد نجومی (AU، واحد طول و حدود ۱۵۰ میلیون کیلومتر) از خورشید فاصله دارد و ضخامتی برابر با ۱ واحد نجومی دارد. وزن کلی آن بین ۲٫۸×۱۰۲۱ تا ۳٫۲×۱۰۲۱ کیلوگرم- تقریبا برابر با ۴ درصد وزن کره ماه – تخمین زده شده است. سیارک های سرس، وستا ۴، پالاس ۲ و هایجی ۱۰ (۱۰ Hygiea) حدود نیمی از وزن این کمربند را تشکیل می دهند ( یک سوم این وزن فقط مربوط به سیارک سرس است). تراکم اصلی سیارک ها در این کمربند، بر اساس شکاف های کرک وود (Kirkwood gaps)، به سه ناحیه تقسیم می شود. این شکاف ها که در سال ۱۸۶۶ توسط دنیل کرک وود (Daniel Kirkwood) و در فاصله ای دور از سیارک ها کشف شدند، ابعاد مدار یک سیارک را بر اساس محور نیمه اصلی آن مشخص می کنند.

ناحیه ۱ بین رزونانس ۴:۱ و ۳:۱ شکاف های کرک وود، که به ترتیب ۲/۰۶ و ۲/۵ واحد نجومی از خورشید فاصله دارند، واقع شده است. ناحیه ۲ از انتهای ناحیه ۱ تا شکاف رزونانس ۵:۲، که ۲/۸۲ واحد نجومی از خورشید فاصله دارد، کشیده شده است. ناحیه ۳ از لبه بیرونی ناحیه ۲ تا شکاف رزونانس ۲:۱، در فاصله ۳/۲۸ واحد نجومی از خورشید، گسترش می یابد.
کمربند سیارکی می تواند به کمربند های درونی و بیرونی هم تقسیم شود. کمربند درونی شامل سیارک هایی که از شکاف کرک وود ۳:۱ به مریخ نزدیک تر هستند و کمربند بیرونی شامل سیارک هایی که به مدار مشتری نزدیک ترند.
سیارک هایی که در شعاع ۲/۰۶ واحد نجومی از خورشید واقع شده اند به عنوان مرز داخلی کمربند سیارکی در نظر گرفته می شوند. نابسامانی های مداری از جانب مشتری، اجسام سرگردان در این ناحیه را به مدارهای ناپایدار می فرستند. اکثر اجسامی که در شعاع این شکاف شکل گرفتند، در اوایل شکل گیری منظومه شمسی توسط مریخ از این ناحیه خارج شدند.
دمای کمربند سیارکی متناسب با فاصله اش از خورشید تغییر می کند.برای ذرات غبار داخل کمربند، دمای معمول بین ۷۳- درجه سانتی گراد در ۲/۲ واحد نجومی تا ۱۰۸- درجه سانتی گراد در ۳/۲ واحد نجومی، متغیر است. اما به دلیل چرخش، دمای سطح سیارک ها با توجه به اینکه در معرض تششعات خورشید بوده اند یا نه، به مقدار قابل توجهی تغییر می کند.
ترکیبات
بیشتر سیارک ها از سنگ و تعداد کمی از آن ها از فلزاتی چون آهن و نیکل تشکیل شده اند. بقیه سیارک ها از مخلوطی از این دو به اضافه مواد غنی از کربن ساخته شده اند. برخی از سیارک های دورتر دارای یخ و مواد ناپایدار مثل یخ آب هستند.
این کمربند اساسا از سه نوع سیارک تشکیل شده است: نوع C، یا سیارک های کربنی، نوع S، یا سیارک های سیلیکاتی و نوع M، یا سیارک های فلزی. سیارک های کربنی سرشار از کربن هستند و بیشتر ناحیه بیرونی این کمربند را تشکیل می دهند و بیش از ۷۵ درصد آن ها قابل رویت هستند. ساختار سطحی آن ها شبیه به شهاب سنگ های کندریت کربن است و طیف آن ها همانند ترکیبات اولیه منظومه شمسی است. .
سیارک های نوع S (سیلیکاتی)، در اطراف نواحی داخلی کمربند و در فاصله ۲/۵ واحد نجومی از خورشید، تراکم بیشتری دارند. این سیارک ها عموما از سیلیکات و چند نوع فلز ساخته شده اند و ترکیبات کربنی قابل توجهی ندارند. این نکته بیانگر این است که مواد تشکیل دهنده آن ها در طول زمان، احتمالا از طریق ذوب شدن و شکل گیری دوباره، دست خوش تغییرات زیادی شده اند.

هر دو تصویر سیارک وستا را نشان می دهند. تصویر سمت چپ توسط تلسکوپ فضایی هابل، که در مداری نزدیک به زمین گردش می کند، و تصویر سمت راست از نزدیکی سیارک و توسط فضاپیمای داون گرفته شده است.
هر دو تصویر سیارک وستا را نشان می دهند. تصویر سمت چپ توسط تلسکوپ فضایی هابل، که در مداری نزدیک به زمین گردش می کند، و تصویر سمت راست از نزدیکی سیارک و توسط فضاپیمای داون گرفته شده است.

سیارک های نوع M (فلزی) که ۱۰ درصد از کل جمعیت سیارک ها را تشکیل می دهند، از آهن، نیکل و برخی ترکیبات سیلیکاتی ساخته شده اند. گفته می شود برخی از آن ها از هسته های فلزی سیارک هایی که در اثر برخورد با یکدیگر تکه تکه شده اند، به وجود آمده اند. توزیع این نوع از سیارک ها در محور نیمه اصلی و به فاصله ۲/۷ واحد نجومی از خورشید، بیشترین مقدار را دارد.
یک نوع اسرار آمیز و تقریبا نادر سیارک ها، سیارک نوع V یا بازالتی نام دارد. دلیل نام گذاری این سیارک ها این است که تا سال ۲۰۰۱ باور بر این بود که اکثر اجسام بازالتی از سیارک وستا (Vesta) منشا گرفته اند. بعد ها، اکتشاف سیارک های بازالتی با ترکیبات شیمیایی متفاوت با سیارک وستا، نشان داد که این باور غلط است. بنا بر فرضیه های کنونی تعداد سیارک های نوع V باید بسیار زیاد باشد، اما به نظر می رسد ۹۹ درصد مقدار پیش بینی شده، گم شده است.

خانواده ها و گروه ها
حدود یک سوم از کل سیارک های موجود در کمربند سیارکی عضو یک خانواده هستند. این خانواده بر اساس شباهت در عناصر مداری، مثل محور نیمه اصلی، دوری از مرکز، شیب مداری و ویژگی های طیفی مشابه که همگی نشانگر مبدا مشترک هستند، مشخص می شود. به احتمال زیاد تشکیل این خانواده در اثر برخورد هایی بین اجسام بسیار بزرگ (با شعاع تقریبی ۱۰ کیلومتر)، که بعد ها به اجسام کوچک تر تقسیم شدند، بوده است.
فلورا (Flora)، یونومیا (Eunomia)، کورونیس (Koronis)، ایاس (Eos) و تمیس (Themis) از معروف ترین خانواده های کمربند سیارکی هستند. خانواده فلورا، یکی از بزرگ ترین ها با بیش از ۸۰۰ نوع شناخته شده، کمتر از یک میلیارد سال پیش و در اثر یک برخورد به وجود آمده است. این خانواده که در ناحیه داخلی کمربند قرار گرفته است، از سیارک های نوع S تشکیل شده و حدود ۴ تا ۵ درصد کل اجسام موجود در کمربند را در بر می گیرد.
خانواده یونومیا یک گروه بزرگ دیگر از سیارک های نوع S است، که نامش را از الهه یونانی قانون گرفته است. این خانواده، برجسته ترین خانواده در میانه کمربند سیارکی محسوب می شود و حدود ۵ درصد از کل سیارک ها را در بر می گیرد.
خانواده کورونیس از ۳۰۰ سیارک شناخته شده که گمان می رود حداقل یک میلیارد سال پیش و در اثر یک برخورد ایجاد شده باشند، تشکیل شده است. بزرگ ترین عضو شناخته شده این خانواده با شعاع تقریبی ۴۱ کیلومتر ، لاکریموزا ۲۰۸ (۲۰۸ Lacrimosa) نام دارد. علاوه بر این ۲۰ سیارک دیگر با قطر بیش از ۲۵ کیلومتر پیدا شده اند.

خانواده ایاس یا ایان (Eoan)، خانواده ای معروف از سیارک هاست که در فاصله ۲/۹۶ الی ۳/۰۳واحد نجومی به دور خورشید می چرخند و گفته می شود ۱ تا ۲ میلیارد سال پیش بر اثر یک برخورد به وجود آمده اند. این خانواده شامل ۴۴۰۰ عضو شناخته شده که به نوع S شباهت دارند، می باشد. اما، بررسی ایاس و دیگر اعضای خانواده با اشعه فرو سرخ تفاوت هایی را با نوع S نشان می دهد و به همین دلیل است که آن ها دسته مخصوص خود به نام نوع K را دارند.

خانواده تمیس در قسمت بیرونی کمربند سیارکی و در فاصله تقریبی ۳/۱۳ واحد نجومی از خورشید یافت می شود. این گروه شامل سیارک تمیس ۲۴ (۲۴ Themis) و یکی از پر جمعیت ترین خانواده های سیارکی است. این خانواده از سیارک های نوع C با ترکیبی شبیه به کندریت کربن ساخته شده است و ساختار آن شامل یک هسته از سیارک های بزرگ که با سیارک های کوچک تر احاطه شده اند، می باشد.
وستا ۴، بزرگ ترین سیارکی است که عضو واقعی یک خانواده می باشد. خانواده وستا در اثر یک اصابت شدید که منجر به ایجاد حفره بر وستا شده است، به وجود آمده. شهاب سنگ های HED هم احتمالا در نتیجه همین برخورد و از وستا ایجاد شده اند. کمربند سیارکی علاوه بر سیارک ها، شامل نوار های گرد و غبار دارای ذراتی با شعاع چند صد میکرومتر نیز می باشد. این مواد ریز بر اثر برخورد سیارک ها با یکدیگر و با ریز شهاب سنگ ها، تولید می شوند. سه نوار گرد و غبار معروف درکمربند سیارکی، شیب مداری مشابه با خانواده های ایاس، کورونیس و تمیس دارند و به نظر می رسد به این گروه ها وابسته اند.

مبدا
در گذشته، تصور می شد که کمربند سیارکی بقایای یک سیاره بزرگ است که جایی بین مدار های مریخ و مشتری قرار داشته است. اولین بار هاینریش اولبرس این فرضیه را به عنوان توجیح وجود سرس و پالاس به ویلیام هرشل ارائه داد. اگر چه بعد ها این فرضیه به چند دلیل رد شد؛ اول، مقدار انرژی عظیمی که برای نابود کردن یک سیاره لازم است. دوم این که جرم کل این کمربند برابر با ۴ درصد جرم ماه است. دلیل سوم هم تفاوت شیمیایی فاحش بین سیارک هاست، که نشان می دهد آن ها نمی توانند بخشی از یک سیاره واحد باشند.
امروزه، توافق علمی بر این است که سیارک ها به جای قطعات یک سیاره قدیمی، بقایای منظومه شمسی اولیه هستند که هرگز هیچ سیاره ای در آن شکل نگرفت. در طول چند میلیون سال اولیه تاریخ منظومه شمسی، زمانی که افزایش جانبه منجر به تشکیل سیاره ها شد، توده هایی از مواد در یک قرص برافزایشی، یک ساختار دیسک مانند از مواد که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می‌چرخند، در هم آمیختند و خرده سیارات را به وجود آوردند. سپس این ها گرد هم آمدند و سیاره ها را ساختند.
با این وجود، در ناحیه کمربند سیارکی، خرده سیارات آن قدر توسط جاذبه مشتری منحرف می شدند که نتوانستند یک سیاره به وجود آورند. در نتیجه این اجسام به چرخیدن دور خورشید ادامه دادند، گه گاه به یکدیگر برخوردند و اجسام کوچک تر و گرد و غبار تولید می کردند.

طرحی هنری از منظومه شمسی اولیه که در آن قطعات مختلف در یک قرص برافزایشی با یکدیگر برخورد کردند و خرده سیارات و در آخر سیارات را به وجود آوردند.
طرحی هنری از منظومه شمسی اولیه که در آن قطعات مختلف در یک قرص برافزایشی با یکدیگر برخورد کردند و خرده سیارات و در آخر سیارات را به وجود آوردند.

سیارک ها در دوران آغازین منظومه شمسی تا حدودی ذوب شدند و همین باعث شد تا بخش هایی از عناصر تشکیل دهنده آن ها دچار تغییر شود. اگرچه این دوره با توجه به اندازه تقریبا کوچک آن ها کوتاه بوده و حدود ۴/۵ میلیارد سال پیش، یعنی در ده ها میلیون سال اولیه تشکیل منظومه شمسی، به پایان رسیده است.

با این که قدمت سیارک ها به دوره آغازین منظومه شمسی تخمین زده شده است، سیارک های امروزی با نمونه های نخستین خود فرق دارند. آن ها از زمان شکل گیری دچار تحولات قابل توجهی شده اند؛ مانند گرمایش درونی، ذوب شدن سطح بر اثر ضربه، فرسایش فضایی به خاطر تشعشات . بمباران توسط ریز شهاب سنگ ها. بنا بر این، کمربند سیارکی امروزی تنها درصد کوچکی از جرم کمربند اولیه را شامل می شود.
شبیه سازی های کامپیوتری نشان می دهد کمربند سیارکی اولیه جرمی معادل با جرم زمین داشته است. در درجه اول، به دلیل آشفتگی های گرانشی، یک میلیون سال بعد از شکل گیری این کمربند عمده مواد از آن خارج شده اند و تنها ۰/۱ درصد از جرم آن باقی مانده است. از آن پس، اندازه کمربند سیارکی ثابت باقی مانده است.
در اوایل تشکیل کمربند سیارکی، دما های پایین در فاصله ۲/۷ واحد نجومی از خورشید یک “خط برفی” با دمایی کمتر از نقطه انجماد آب به وجود آوردند. خرده سیاراتی که دورتر از این شعاع شکل گرفته بودند، پر از یخ شدند. احتمالا برخی از آن ها منابع آبی اقیانوس های زمین را تامین کرده اند.

کاوش
تراکم کمربند سیارکی آن قدر کم است که چندین سفینه بدون سرنشین موفق شده اند از میان آن عبور کنند؛ چه به عنوان بخشی از ماموریت دوربرد به نقاط دور منظومه شمسی و چه به عنوان ماموریتی برای تحقیق درباره اجسام بزرگ تر کمربند سیارکی. در حقیقت، با توجه به چگالی کم مواد داخل کمربند، احتمال برخورد یک کاوشگر با یک سیارک کمتر از یک در میلیارد تخمین زده شده است.
اولین سفینه فضایی که توانست به کمربند سیارکی وارد شود پایونیر ۱۰ (Pioneer 10) نام داشت. این سفینه در ۱۶ جولای ۱۹۷۲ به این منطقه وارد شد و به عنوان بخشی از ماموریت رفتن به مشتری در این کمربند حرکت کرد و توانست به مشتری نزدیک شود ( در دسامبر ۱۹۷۳ به نزدیک ترین حالت رسید)؛ پیش از آن که به عنوان اولین سفینه فضایی موفق به فرار از شتاب منظومه شمسی شود.
در این زمان، نگرانی از این بود که رسوبات برای این کاوشگر فضایی ایجاد خطر می کند. اما بعد از آن ماموریت، ۱۱ سفینه دیگر بدون هیچ حادثه ای از کمربند میانی عبور کردند. پایونیر ۱۱ (Pioneer 11)، وویجر ۱ و ۲ (Voyager 1 and 2)، اولیس (Ulysses)، گالیلئو (Galileo)، نیر (NEAR)، کسینی (Cassini)، استارداست (Stardust)، نیو هورایزنز (New Horizons) ، روزتا (Rosetta) از ESA (آژانس فضایی اروپا) و اخیرا فضاپیمای داون (Dawn) سفینه هایی بودند که به این سفر رفتند.
اکثر این سفر ها بخشی از ماموریت به نقاط بیرونی منظومه شمسی بودند و به همین دلیل فرصت مطالعه و عکس برداری از سیارک ها کوتاه بود. تنها داون، نیر و هایابوسا (Hayabusa) از آژانس کاوش های هوافضای ژاپن (JAXA) توانستند سیارک ها را برای مدت طولانی در مدارشان و در سطح بررسی کنند. داون از جولای ۲۰۱۱ تا سپتامبر ۲۰۱۲ به کاوش وستا پرداخت، و اکنون در حال چرخیدن به دور سرس و فرستادن عکس های بسیار جذاب از ویژگی های سطح آن است.

شاید اگر همه چیز خوب پیش رود، روزی انسان بتواند از کمربند سیارکی منابعی چون فلزات گرانبها، مواد معدنی و مواد فرار را استخراج کند. می توان از این منابع پس از استخراج در همان جا استفاده کرد (مثلا به عنوان مواد سازنده و سوخت موشک ها) یا آن ها را به زمین انتقال داد.

این امکان نیز وجود دارد که روزی، انسان در سیارک های بزرگ ساکن شود و در سراسر این کمربند پایگاه تشکیل دهد. اما هنوز کاوش های بسیاری برای انجام شدن باقیست و احتمالا میلیون ها شی دیگر وجود دارند که تاکنون بررسی نشده اند.
https://saakhtani.ir