Пояс астероидов: между Марсом и Юпитером

Введение

Область между орбитами Марса и Юпитера – альбом Velvet Chain. Пояс астероидов — это область в форме тора в Солнечной системе, центрированная на Солнце и приблизительно охватывающая пространство между орбитами планет Юпитера и Марса. Он содержит огромное количество твердых тел неправильной формы, называемых астероидами или малыми планетами. Идентифицированные объекты различаются по размерам, но значительно меньше планет и в среднем находятся на расстоянии около одного миллиона километров (или шестисот тысяч миль) друг от друга. Этот пояс астероидов также называют главным поясом астероидов или основным поясом, чтобы отличать его от других популяций астероидов в Солнечной системе. Пояс астероидов является самым маленьким и внутренним из известных околозвездных дисков в Солнечной системе. К классам небольших тел Солнечной системы в других регионах относятся околоземные объекты, кентавры, объекты пояса Койпера, объекты рассеянного диска, седноиды и объекты облака Оорта. Около 60% массы главного пояса сосредоточено в четырех крупнейших астероидах: Церере, Весте, Палладе и Гигее. Общая масса пояса астероидов оценивается в 3% от массы Луны. Церера, единственный объект в поясе астероидов, достаточно большой, чтобы считаться карликовой планетой, имеет диаметр около 950 км, в то время как Веста, Паллада и Гигея имеют средний диаметр менее 600 км. Остальные минералогически классифицированные тела имеют размеры до нескольких метров. Астероидный материал настолько разрежен, что многочисленные беспилотные космические аппараты пересекали его без происшествий. Тем не менее, столкновения между крупными астероидами происходят и могут привести к образованию астероидного семейства, члены которого имеют схожие орбитальные характеристики и состав. Отдельные астероиды в поясе классифицируются по спектру, при этом большинство относится к трем основным группам: углеродистым (тип C), силикатным (тип S) и богатым металлами (тип M). Пояс астероидов образовался из первичной солнечной туманности как группа планетезималей — более мелких предшественников протопланет. Однако между Марсом и Юпитером гравитационные возмущения со стороны Юпитера нарушили их аккрецию в планету, передав избыточную кинетическую энергию, которая разрушила сталкивающиеся планетезимали и большинство зарождающихся протопланет. В результате 99,9% первоначальной массы пояса астероидов было потеряно в первые 100 миллионов лет истории Солнечной системы. Некоторые фрагменты в конечном итоге попадали во внутреннюю Солнечную систему, приводя к столкновениям метеоритов с внутренними планетами. Орбиты астероидов продолжают заметно изменяться, когда их период обращения вокруг Солнца входит в орбитальный резонанс с Юпитером. На этих орбитальных расстояниях образуются промежутки Кирквуда, поскольку они переходят на другие орбиты.

Region between the orbits of Mars and Jupiter
the album by Velvet Chain

The asteroid belt is a torus shaped region in the Solar System, centered on the Sun and roughly spanning the space between the orbits of the planets Jupiter and Mars. It contains a great many solid, irregularly shaped bodies called asteroids or minor planets. The identified objects are of many sizes, but much smaller than planets, and, on average, are about one million kilometers (or six hundred thousand miles) apart. This asteroid belt is also called the main asteroid belt or main belt to distinguish it from other asteroid populations in the Solar System. The asteroid belt is the smallest and innermost known circumstellar disc in the Solar System. Classes of small Solar System bodies in other regions are the near Earth objects, the centaurs, the Kuiper belt objects, the scattered disc objects, the sednoids, and the Oort cloud objects. About 60% of the main belt mass is contained in the four largest asteroids: Ceres, Vesta, Pallas, and Hygiea. The total mass of the asteroid belt is estimated to be 3% that of the Moon. Ceres, the only object in the asteroid belt large enough to be a dwarf planet, is about 950 km in diameter, whereas Vesta, Pallas, and Hygiea have mean diameters less than 600 km. The remaining mineralogically classified bodies range in size down to a few metres. The asteroid material is so thinly distributed that numerous uncrewed spacecraft have traversed it without incident. Nonetheless, collisions between large asteroids occur and can produce an asteroid family, whose members have similar orbital characteristics and compositions. Individual asteroids within the belt are categorized by their spectra, with most falling into three basic groups: carbonaceous (C type), silicate (S type), and metal rich (M type). The asteroid belt formed from the primordial solar nebula as a group of planetesimals, the smaller precursors of the protoplanets. However, between Mars and Jupiter gravitational perturbations from Jupiter disrupted their accretion into a planet, imparting excess kinetic energy which shattered colliding planetesimals and most of the incipient protoplanets. As a result, 99.9% of the asteroid belt's original mass was lost in the first 100 million years of the Solar System's history. Some fragments eventually found their way into the inner Solar System, leading to meteorite impacts with the inner planets. Asteroid orbits continue to be appreciably perturbed whenever their period of revolution about the Sun forms an orbital resonance with Jupiter. At these orbital distances, a Kirkwood gap occurs as they are swept into other orbits.

История наблюдений

В 1596 году Иоганн Кеплер написал: "Между Марсом и Юпитером я помещаю планету" в своем "Mysterium Cosmographicum", заявив о своем предсказании, что планета будет найдена там. Анализируя данные Тихо Браге, Кеплер полагал, что между орбитами Марса и Юпитера существует слишком большой промежуток, чтобы соответствовать его тогдашней модели расположения планетарных орбит. В анонимной сноске к переводу 1766 года книги Шарля Бонне "Созерцание природы" астроном Иоганн Даниэль Тициус из Виттенберга отметил кажущуюся закономерность в расположении планет, ныне известную как закон Тициуса-Боде. Если начать числовую последовательность с 0, затем включить 3, 6, 12, 24, 48 и т. д., удваивая каждый раз, и прибавить четыре к каждому числу и разделить на 10, то получится удивительно близкое приближение к радиусам орбит известных планет, измеряемых в астрономических единицах, при условии, что допускается существование "отсутствующей планеты" (эквивалентной 24 в последовательности) между орбитами Марса (12) и Юпитера (48). В своей сноске Тициус заявил: "Но разве Господь-Архитектор оставил бы это пространство пустым? Отнюдь нет". 1 января 1801 года Джузеппе Пиацци, председатель астрономической кафедры Палермского университета (Сицилия), обнаружил крошечный движущийся объект на орбите, радиус которой точно соответствовал предсказанному этой закономерностью значению. Он назвал его "Церерой" в честь римской богини урожая и покровительницы Сицилии. Пиацци первоначально полагал, что это комета, но отсутствие у него кометной головы указывало на то, что это планета. Таким образом, вышеупомянутая закономерность предсказала большую полуось всех восьми известных на тот момент планет (Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Цереры, Юпитера, Сатурна и Урана). Одновременно с открытием Цереры была сформирована неофициальная группа из 24 астрономов, получившая название "небесной полиции" по приглашению Франца Ксавера фон Заха с целью поиска дополнительных планет; они сосредоточили свои поиски в области между Марсом и Юпитером, где закон Тициуса-Боде предсказывал наличие планеты. Примерно через 15 месяцев Генрих Ольберс, член "небесной полиции", обнаружил второй объект в том же регионе – Палладу. В отличие от других известных планет, Церера и Паллада оставались точками света даже при максимальном увеличении телескопа, не разрешаясь в диски. Помимо быстрого движения, они были неотличимы от звезд. Завершив серию наблюдений за Церерой и Палладой, он пришел к выводу, что ни название "планеты", ни название "кометы" не могут быть с какой-либо языковой точностью применены к этим двум звездам. Они настолько похожи на маленькие звезды, что их трудно от них отличить. Отсюда и их астероидный вид, и я называю их астероидами; однако оставляю за собой право изменить это название, если появится другое, более точно отражающее их природу. К 1807 году дальнейшие исследования выявили два новых объекта в этом регионе: Юнону и Весту. Пожар в Лилиентале во время Наполеоновских войн, где была выполнена основная часть работы, положил конец этому первому периоду открытий. Термин "пояс астероидов" вошел в употребление в начале 1850-х годов, хотя установить, кто впервые использовал этот термин, затруднительно. Первое английское употребление, по-видимому, встречается в переводе (Элизы Отте) 1850 года "Космоса" Александра фон Гумбольдта: "[ ] и регулярное появление около 13 ноября и 11 августа падающих звезд, которые, вероятно, являются частью пояса астероидов, пересекающего орбиту Земли и движущегося с планетарной скоростью". Еще одно раннее упоминание встречается в книге Роберта Джеймса Манна "Путеводитель по знанию небес": "Орбиты астероидов расположены в широком поясе пространства, простирающемся между крайними точками [ ]". Американский астроном Бенджамин Пирс, по-видимому, принял эту терминологию и был одним из ее сторонников. К середине 1868 года было обнаружено более 100 астероидов, а в 1891 году внедрение астрофотографии Максом Вольфом ускорило темпы открытий. К 1921 году было обнаружено в общей сложности 1000 астероидов, к 1981 году – 10 000, а к 2000 году – 100 000. Современные системы обследования астероидов теперь используют автоматизированные средства для обнаружения новых малых планет в постоянно растущем количестве. 22 января 2014 года ученые Европейского космического агентства (ЕКА) сообщили об обнаружении, впервые, водяного пара на Церере, крупнейшем объекте в поясе астероидов. Обнаружение было сделано с использованием возможностей в дальнем инфракрасном диапазоне космической обсерватории "Гершель". Эта находка была неожиданной, поскольку обычно считается, что "извергают струи и шлейфы" кометы, а не астероиды. По словам одного из ученых, "границы между кометами и астероидами становятся все более размытыми". В то же время, одесский астроном К. Н. Савченко предположил, что Церера, Паллада, Юнона и Веста являются сбежавшими лунами, а не фрагментами взорвавшейся планеты. Огромное количество энергии, необходимое для разрушения планеты, в сочетании с низкой общей массой пояса, составляющей всего около 4% массы Луны Земли,

In 1596, Johannes Kepler wrote, "Between Mars and Jupiter, I place a planet," in his Mysterium Cosmographicum, stating his prediction that a planet would be found there. While analyzing Tycho Brahe's data, Kepler thought that too large a gap existed between the orbits of Mars and Jupiter to fit Kepler's then current model of where planetary orbits should be found. In an anonymous footnote to his 1766 translation of Charles Bonnet's Contemplation de la Nature, the astronomer Johann Daniel Titius of Wittenberg noted an apparent pattern in the layout of the planets, now known as the Titius Bode Law. If one began a numerical sequence at 0, then included 3, 6, 12, 24, 48, etc., doubling each time, and added four to each number and divided by 10, this produced a remarkably close approximation to the radii of the orbits of the known planets as measured in astronomical units, provided one allowed for a "missing planet" (equivalent to 24 in the sequence) between the orbits of Mars (12) and Jupiter (48). In his footnote, Titius declared, "But should the Lord Architect have left that space empty? Not at all." On January 1, 1801, Giuseppe Piazzi, chairman of astronomy at the University of Palermo, Sicily, found a tiny moving object in an orbit with exactly the radius predicted by this pattern. He dubbed it "Ceres", after the Roman goddess of the harvest and patron of Sicily. Piazzi initially believed it to be a comet, but its lack of a coma suggested it was a planet. Thus, the aforementioned pattern predicted the semimajor axes of all eight planets of the time (Mercury, Venus, Earth, Mars, Ceres, Jupiter, Saturn, and Uranus). Concurrent with the discovery of Ceres, an informal group of 24 astronomers dubbed the "celestial police" was formed under the invitation of Franz Xaver von Zach with the express purpose of finding additional planets; they focused their search for them in the region between Mars and Jupiter where the Titius–Bode law predicted there should be a planet. About 15 months later, Heinrich Olbers, a member of the celestial police, discovered a second object in the same region, Pallas. Unlike the other known planets, Ceres and Pallas remained points of light even under the highest telescope magnifications instead of resolving into discs. Apart from their rapid movement, they appeared indistinguishable from stars. Upon completing a series of observations of Ceres and Pallas, he concluded,
Neither the appellation of planets nor that of comets can with any propriety of language be given to these two stars They resemble small stars so much as hardly to be distinguished from them. From this, their asteroidal appearance, if I take my name, and call them Asteroids; reserving for myself, however, the liberty of changing that name, if another, more expressive of their nature, should occur. By 1807, further investigation revealed two new objects in the region: Juno and Vesta. The burning of Lilienthal in the Napoleonic wars, where the main body of work had been done, brought this first period of discovery to a close. The expression "asteroid belt" came into use in the early 1850s, although pinpointing who coined the term is difficult. The first English use seems to be in the 1850 translation (by Elise Otté) of Alexander von Humboldt's Cosmos: "[ ] and the regular appearance, about the 13th of November and the 11th of August, of shooting stars, which probably form part of a belt of asteroids intersecting the Earth's orbit and moving with planetary velocity". Another early appearance occurred in Robert James Mann's A Guide to the Knowledge of the Heavens: "The orbits of the asteroids are placed in a wide belt of space, extending between the extremes of [ ]". The American astronomer Benjamin Peirce seems to have adopted that terminology and to have been one of its promoters. Over 100 asteroids had been located by mid 1868, and in 1891, the introduction of astrophotography by Max Wolf accelerated the rate of discovery. A total of 1,000 asteroids had been found by 1921, 10,000 by 1981, and 100,000 by 2000. Modern asteroid survey systems now use automated means to locate new minor planets in ever increasing numbers. On 22 January 2014, European Space Agency (ESA) scientists reported the detection, for the first definitive time, of water vapor on Ceres, the largest object in the asteroid belt. The detection was made by using the far infrared abilities of the Herschel Space Observatory. The finding was unexpected because comets, not asteroids, are typically considered to "sprout jets and plumes". According to one of the scientists, "The lines are becoming more and more blurred between comets and asteroids". while Odesan astronomer K. N. Savchenko suggested that Ceres, Pallas, Juno, and Vesta were escaped moons rather than fragments of the exploded planet. The large amount of energy required to destroy a planet, combined with the belt's low combined mass, which is only about 4% of the mass of Earth's Moon,

Современная гипотеза о создании пояса астероидов связана с тем, как, в целом для Солнечной системы, считается, что формирование планет происходило посредством процесса, сопоставимого с давней туманной гипотезой; облако межзвездной пыли и газа коллапсировало под действием гравитации, образуя вращающийся диск материи, который затем агломерировал, формируя Солнце и планеты. В течение первых нескольких миллионов лет истории Солнечной системы процесс аккреции липких столкновений вызывал уплотнение мелких частиц, которые постепенно увеличивались в размерах. Как только эти уплотнения достигли достаточной массы, они могли притягивать другие тела посредством гравитационного притяжения и превращаться в планетезимали. Эта гравитационная аккреция привела к формированию планет. Планетезимали в области, которая должна была стать поясом астероидов, подвергались сильным возмущениям со стороны гравитации Юпитера. В регионах, где средняя скорость столкновений была слишком высокой, разрушение планетезималей имело тенденцию преобладать над аккрецией, препятствуя формированию планеты. Вместо этого они продолжали вращаться вокруг Солнца, как и прежде, время от времени сталкиваясь. В ранней истории Солнечной системы астероиды в некоторой степени расплавились, что позволило элементам внутри них дифференцироваться по массе. Некоторые из исходных тел могли даже переживать периоды взрывного вулканизма и образовывать магматические океаны. Однако из-за относительно небольшого размера тел период плавления был неизбежно коротким по сравнению с гораздо более крупными планетами и в целом закончился около 4,5 миллиарда лет назад, в первые десятки миллионов лет формирования. В августе 2007 года исследование кристаллов циркона в антарктическом метеорите, предположительно происходящем с Весты, показало, что она, и, следовательно, остальная часть пояса астероидов, сформировалась довольно быстро, в течение 10 миллионов лет после образования Солнечной системы.

Эволюция

Астероиды не являются нетронутыми образцами первобытной Солнечной системы. Они претерпели значительную эволюцию после своего формирования, включая внутренний нагрев (в первые несколько десятков миллионов лет), плавление поверхности в результате ударов, космическое выветривание под воздействием радиации и бомбардировку микрометеоритами. Хотя некоторые ученые называют астероиды остаточными планетезималями, другие считают их отдельными объектами. Считается, что современный пояс астероидов содержит лишь небольшую долю массы первоначального пояса. Компьютерное моделирование показывает, что первоначальный пояс астероидов мог содержать массу, эквивалентную массе Земли. В основном из-за гравитационных возмущений, большая часть материала была выброшена из пояса в течение примерно 1 миллиона лет после его образования, оставив менее 0,1% первоначальной массы. Орбитальный резонанс 4:1 с Юпитером, расположенный на расстоянии 2,06 астрономических единиц (а.е.), можно считать внутренней границей пояса астероидов. Гравитационные возмущения, вызванные Юпитером, отправляют тела в этом регионе на нестабильные орбиты. Большинство тел, образовавшихся внутри радиуса этого разрыва, были поглощены Марсом (афелий которого находится на расстоянии 1,67 а.е.) или выброшены его гравитационными возмущениями на ранних этапах истории Солнечной системы. Астероиды группы Венгрии находятся ближе к Солнцу, чем резонанс 4:1, но защищены от разрушения благодаря своему большому наклонению. Когда пояс астероидов только формировался, температура на расстоянии 2,7 а.е. от Солнца определяла "линию снега" – границу, ниже которой вода замерзала. Планетезимали, образовавшиеся за пределами этой границы, могли накапливать лед. В 2006 году в поясе астероидов за линией снега была обнаружена популяция комет, которая могла быть источником воды для океанов Земли. Согласно некоторым моделям, выделение воды в период формирования Земли было недостаточным для образования океанов, что потребовало внешнего источника, например, кометной бомбардировки. Внешний пояс астероидов, по-видимому, включает несколько объектов, которые могли прибыть туда в течение последних нескольких сотен лет, в том числе (457175) 2008 GO, также известный как 362P.

The asteroids are not pristine samples of the primordial Solar System. They have undergone considerable evolution since their formation, including internal heating (in the first few tens of millions of years), surface melting from impacts, space weathering from radiation, and bombardment by micrometeorites. Although some scientists refer to the asteroids as residual planetesimals, other scientists consider them distinct. The current asteroid belt is believed to contain only a small fraction of the mass of the primordial belt. Computer simulations suggest that the original asteroid belt may have contained mass equivalent to the Earth's. Primarily because of gravitational perturbations, most of the material was ejected from the belt within about 1 million years of formation, leaving behind less than 0.1% of the original mass. The 4:1 orbital resonance with Jupiter, at a radius 2.06 astronomical units (AUs), can be considered the inner boundary of the asteroid belt. Perturbations by Jupiter send bodies straying there into unstable orbits. Most bodies formed within the radius of this gap were swept up by Mars (which has an aphelion at 1.67 AU) or ejected by its gravitational perturbations in the early history of the Solar System. The Hungaria asteroids lie closer to the Sun than the 4:1 resonance, but are protected from disruption by their high inclination. When the asteroid belt was first formed, the temperatures at a distance of 2.7 AU from the Sun formed a "snow line" below the freezing point of water. Planetesimals formed beyond this radius were able to accumulate ice. In 2006, a population of comets had been discovered within the asteroid belt beyond the snow line, which may have provided a source of water for Earth's oceans. According to some models, outgassing of water during the Earth's formative period was insufficient to form the oceans, requiring an external source such as a cometary bombardment. The outer asteroid belt appears to include a few objects that may have arrived there during the last few hundred years, the list includes (457175) 2008 GO also known as 362P.

Характеристики

Вопреки распространенному мнению, пояс астероидов в основном пуст. Астероиды распределены на таком огромном объеме, что достичь астероида без точного наведения было бы маловероятно. Тем не менее, в настоящее время известно о сотнях тысяч астероидов, а их общее количество оценивается в миллионы и более, в зависимости от минимального размера. Известно более 200 астероидов диаметром более 100 км, а инфракрасное обследование показало, что в поясе астероидов находится от 700 000 до 1,7 миллиона астероидов диаметром 1 км и более. Количество астероидов в главном поясе постоянно увеличивается с уменьшением размера. Хотя распределение размеров в целом подчиняется степенному закону, на кривой наблюдаются "пики" примерно в 5 и 100, где обнаружено больше астероидов, чем можно было бы ожидать по этой кривой. Большинство астероидов диаметром более 120 км являются первичными, сохранившимися со времен аккреции, в то время как большинство более мелких астероидов являются продуктами фрагментации первичных астероидов. Первоначальная популяция главного пояса, вероятно, была в 200 раз больше, чем сейчас. Абсолютные звездные величины большинства известных астероидов находятся в диапазоне от 11 до 19, со средней около 16, хотя это значение варьируется в зависимости от семейства астероидов, а меньшие, необнаруженные астероиды могут быть еще ближе. Общая масса пояса астероидов оценивается в 2,39e21 кг, что составляет 3% от массы Луны.

Состав

В настоящее время пояс астероидов состоит главным образом из трех категорий астероидов: углеродистых астероидов типа C, силикатных астероидов типа S и гибридной группы астероидов типа X. Гибридная группа характеризуется спектрами без выраженных особенностей, но может быть разделена на три подгруппы по отражательной способности, что дает металлические астероиды типа M, примитивные астероиды типа P и энстатитные астероиды типа E. Обнаружены также дополнительные типы, не вписывающиеся в эти основные классы. Наблюдается тенденция изменения состава астероидов с увеличением расстояния от Солнца в последовательности S, C, P и спектрально однородных типов D. Углеродистые астероиды, как следует из названия, богаты углеродом. Они преобладают во внешних областях пояса астероидов и редки во внутренних областях. Астероиды типа S (богатые силикатами) более распространены во внутренней части пояса, в пределах 2,5 а.е. от Солнца. Спектры их поверхности указывают на наличие силикатов и некоторого количества металла, но не содержат значимых углеродных соединений. Это свидетельствует о существенном изменении их материала по сравнению с первоначальным составом, вероятно, в результате плавления и перекристаллизации. Они обладают относительно высоким альбедо и составляют около 17% от общей популяции астероидов. В пределах пояса астероидов число астероидов типа M достигает максимума на полуоси около 2,7 а.е. Пока неясно, все ли астероиды типа M имеют схожий состав, или же это обозначение для нескольких разновидностей, которые не укладываются в основные классы C и S. Одной из загадок является относительная редкость астероидов типа V (вестоидов) или базальтовых астероидов в поясе астероидов. Теории формирования астероидов предсказывают, что объекты размером с Весту или больше должны иметь кору и мантию, состоящие в основном из базальтовых пород, что привело бы к тому, что более половины всех астероидов состояли бы либо из базальта, либо из оливина. Однако наблюдения показывают, что отсутствует 99% предполагаемого базальтового материала. До 2001 года большинство базальтовых тел, обнаруженных в поясе астероидов, считалось происходящими от астероида Веста (отсюда и название типа V), но открытие астероида 1459 Магня выявило несколько иной химический состав по сравнению с другими базальтовыми астероидами, обнаруженными ранее, что указывает на другое происхождение. Температура в поясе астероидов меняется в зависимости от расстояния до Солнца. Для пылевых частиц в поясе типичные температуры колеблются от 200 К (-73 °C) на расстоянии 2,2 а.е. до 165 К (-108 °C) на расстоянии 3,2 а.е. Однако из-за вращения температура поверхности астероида может значительно изменяться, поскольку разные стороны попеременно подвергаются воздействию солнечного излучения и фонового излучения звезд.

The present day belt consists primarily of three categories of asteroids: C type carbonaceous asteroids, S type silicate asteroids, and a hybrid group of X type asteroids. The hybrid group have featureless spectra, but they can be divided into three groups based on reflectivity, yielding the M type metallic, P type primitive, and E type enstatite asteroids. Additional types have been found that do not fit within these primary classes. There is a compositional trend of asteroid types by increasing distance from the Sun, in the order of S, C, P, and the spectrally featureless D types. Carbonaceous asteroids, as their name suggests, are carbon rich. They dominate the asteroid belt's outer regions, and are rare in the inner belt. S type (silicate rich) asteroids are more common toward the inner region of the belt, within 2.5 AU of the Sun. The spectra of their surfaces reveal the presence of silicates and some metal, but no significant carbonaceous compounds. This indicates that their materials have been significantly modified from their primordial composition, probably through melting and reformation. They have a relatively high albedo and form about 17% of the total asteroid population. Within the asteroid belt, the number distribution of M type asteroids peaks at a semimajor axis of about 2.7 AU. Whether all M types are compositionally similar, or whether it is a label for several varieties which do not fit neatly into the main C and S classes is not yet clear. One mystery is the relative rarity of V type (Vestoid) or basaltic asteroids in the asteroid belt. Theories of asteroid formation predict that objects the size of Vesta or larger should form crusts and mantles, which would be composed mainly of basaltic rock, resulting in more than half of all asteroids being composed either of basalt or of olivine. However, observations suggest that 99% of the predicted basaltic material is missing. Until 2001, most basaltic bodies discovered in the asteroid belt were believed to originate from the asteroid Vesta (hence their name V type), but the discovery of the asteroid 1459 Magnya revealed a slightly different chemical composition from the other basaltic asteroids discovered until then, suggesting a different origin. ]] The temperature of the asteroid belt varies with the distance from the Sun. For dust particles within the belt, typical temperatures range from 200 K (−73 °C) at 2.2 AU down to 165 K (−108 °C) at 3.2 AU. However, due to rotation, the surface temperature of an asteroid can vary considerably as the sides are alternately exposed to solar radiation then to the stellar background.

Кометы основного пояса

Несколько в остальном непримечательных тел во внешнем поясе проявляют кометарную активность. Поскольку объяснить их орбиты захватом классических комет невозможно, многие внешние астероиды, вероятно, состоят изо льда, который время от времени обнажается и сублимируется под воздействием небольших столкновений. Кометы главного пояса могли быть основным источником воды на Земле, так как соотношение дейтерия к водороду слишком низкое, чтобы классические кометы могли быть главным источником.

Орбиты

Большинство астероидов в поясе астероидов имеют орбитальные эксцентриситеты менее 0,4 и наклонение менее 30°. Орбитальное распределение астероидов достигает максимума при эксцентриситете около 0,07 и наклонении ниже 4°. Таким образом, хотя типичный астероид имеет относительно круговую орбиту и расположен близко к плоскости эклиптики, некоторые астероиды могут иметь сильно вытянутые орбиты или удаляться далеко за пределы плоскости эклиптики. Иногда термин "основной пояс" используется для обозначения более компактной "ядерной" области, где наблюдается наибольшая концентрация тел. Эта область расположена между сильными резонансами Киркуда 4:1 и 2:1 на расстояниях 2,06 и 3,27 а.е., при орбитальных эксцентриситетах менее примерно 0,33 и наклонениях менее примерно 20°. По данным на 2006 год, эта "ядерная" область содержала 93% всех обнаруженных и пронумерованных малых планет Солнечной системы. База данных малых тел JPL содержит информацию о более чем миллионе известных астероидов основного пояса.

Пробелы Кирквуда

Полуглавная ось астероида используется для описания размеров его орбиты вокруг Солнца, а её значение определяет орбитальный период малой планеты. В 1866 году Даниэль Кирквуд объявил об открытии пробелов в расстояниях орбит этих тел от Солнца. Они располагались в позициях, где их период обращения вокруг Солнца являлся целочисленной долей орбитального периода Юпитера. Кирквуд предположил, что гравитационные возмущения планеты приводили к удалению астероидов с этих орбит. Когда средний орбитальный период астероида представляет собой целочисленную долю орбитального периода Юпитера, возникает резонанс среднего движения с газовым гигантом, достаточный для изменения орбитальных элементов астероида. Первобытные астероиды попали в эти пробелы из-за миграции орбиты Юпитера. Впоследствии астероиды преимущественно мигрируют на эти орбиты благодаря эффекту Ярковского. Столкновение может раздробить астероид на множество мелких фрагментов (что приводит к образованию нового семейства астероидов). Напротив, столкновения, происходящие при низких относительных скоростях, также могут объединить два астероида. После более чем 4 миллиардов лет таких процессов, состав нынешнего пояса астероидов мало напоминает первоначальную популяцию. Имеются свидетельства, указывающие на то, что большинство астероидов главного пояса диаметром от 200 м до 10 км представляют собой скопления обломков, образовавшиеся в результате столкновений. Эти тела состоят из множества неправильных объектов, которые в основном удерживаются вместе собственной гравитацией, что приводит к значительной внутренней пористости. Наряду с астероидными телами, пояс астероидов также содержит полосы пыли с радиусом частиц до нескольких сотен микрометров. Этот тонкий материал образуется, по крайней мере частично, в результате столкновений между астероидами и при воздействии микрометеоритов на астероиды. Под действием эффекта Пойнтинга-Робертсона давление солнечного излучения заставляет эту пыль медленно спирально двигаться к Солнцу. Сочетание этой мелкой астероидной пыли и выброшенного кометарного вещества создает зодиакальный свет. Этот слабый свет, похожий на полярное сияние, можно наблюдать ночью, исходящий от направления Солнца вдоль плоскости эклиптики. Частицы астероидов, производящие видимый зодиакальный свет, имеют в среднем радиус около 40 мкм. Типичное время жизни частиц облака зодиакального света составляет около 700 000 лет. Следовательно, для поддержания полос пыли необходимо постоянное образование новых частиц в поясе астероидов.

The semimajor axis of an asteroid is used to describe the dimensions of its orbit around the Sun, and its value determines the minor planet's orbital period. In 1866, Daniel Kirkwood announced the discovery of gaps in the distances of these bodies' orbits from the Sun. They were located in positions where their period of revolution about the Sun was an integer fraction of Jupiter's orbital period. Kirkwood proposed that the gravitational perturbations of the planet led to the removal of asteroids from these orbits. When the mean orbital period of an asteroid is an integer fraction of the orbital period of Jupiter, a mean motion resonance with the gas giant is created that is sufficient to perturb an asteroid to new orbital elements. Primordial asteroids entered these gaps because of the migration of Jupiter's orbit. Subsequently, asteroids primarily migrate into these gap orbits due to the Yarkovsky effect, A collision may fragment an asteroid into numerous smaller pieces (leading to the formation of a new asteroid family). Conversely, collisions that occur at low relative speeds may also join two asteroids. After more than 4 billion years of such processes, the members of the asteroid belt now bear little resemblance to the original population. Evidence suggests that most main belt asteroids between 200 m and 10 km in diameter are rubble piles formed by collisions. These bodies consist of a multitude of irregular objects that are mostly bound together by self gravity, resulting in significant amounts of internal porosity. Along with the asteroid bodies, the asteroid belt also contains bands of dust with particle radii of up to a few hundred micrometres. This fine material is produced, at least in part, from collisions between asteroids, and by the impact of micrometeorites upon the asteroids. Due to the Poynting–Robertson effect, the pressure of solar radiation causes this dust to slowly spiral inward toward the Sun. The combination of this fine asteroid dust, as well as ejected cometary material, produces the zodiacal light. This faint auroral glow can be viewed at night extending from the direction of the Sun along the plane of the ecliptic. Asteroid particles that produce visible zodiacal light average about 40 μm in radius. The typical lifetimes of main belt zodiacal cloud particles are about 700,000 years. Thus, to maintain the bands of dust, new particles must be steadily produced within the asteroid belt.

Метеориты

Некоторые из обломков, образовавшихся в результате столкновений, могут формировать метеороиды, которые входят в атмосферу Земли. Из 50 000 метеоритов, найденных на Земле к настоящему времени, 99,8% предположительно образовались в поясе астероидов.

Семьи и группы

В 1918 году японский астроном Киоцугу Хираяма заметил, что орбиты некоторых астероидов имеют схожие параметры, формируя семейства или группы. Примерно треть астероидов в поясе астероидов входит в состав астероидных семейств. Они обладают схожими орбитальными элементами, такими как большая полуось, эксцентриситет и наклон орбиты, а также подобными спектральными характеристиками, что указывает на общее происхождение в результате разрушения более крупного тела. Графическое представление этих пар элементов для астероидов пояса показывает концентрации, свидетельствующие о наличии астероидных семейств. Существует около 20–30 объединений, которые, вероятно, являются астероидными семействами. Обнаружены и другие группировки, достоверность которых ниже. Принадлежность к астероидному семейству подтверждается, если его члены демонстрируют схожие спектральные характеристики. Меньшие объединения астероидов называют группами или скоплениями. Среди наиболее известных семейств в поясе астероидов (в порядке возрастания больших полуосей) — семейства Флоры, Эуномии, Корониса, Эоса и Темиды. Крупнейшим астероидом, являющимся истинным членом семейства, является 4 Веста. (В отличие от случайных объектов, например, Цереры в семействе Гефион). Считается, что семейство Веста образовалось в результате ударного кратера на Весте. Вероятно, метеориты HED также образовались на Весте в результате этого столкновения. В поясе астероидов обнаружены три заметные полосы пыли. Они имеют схожие наклоны орбит с семействами астероидов Эос, Коронис и Темис и, возможно, связаны с этими группировками. Эволюция главного пояса после поздней тяжелой бомбардировки, вероятно, подвергалась влиянию прохождений крупных кентавров и транснептуновых объектов (ТНО). Кентавры и ТНО, достигающие внутренней Солнечной системы, могут изменять орбиты астероидов главного пояса, но только если их масса составляет порядка e = 9 для единичных столкновений или на один порядок меньше при множественных близких сближениях. Однако кентавры и ТНО вряд ли значительно рассеяли молодые астероидные семейства в главном поясе, хотя они могли возмутить некоторые старые семейства. Астероиды главного пояса, которые изначально были кентаврами или транснептуновыми объектами, могут находиться во внешнем поясе с коротким сроком жизни менее 4 миллионов лет, скорее всего, вращаясь между 2,8 и 3,2 а.е. при эксцентриситетах, превышающих типичные для астероидов главного пояса.

In 1918, the Japanese astronomer Kiyotsugu Hirayama noticed that the orbits of some of the asteroids had similar parameters, forming families or groups. Approximately one third of the asteroids in the asteroid belt are members of an asteroid family. These share similar orbital elements, such as semi major axis, eccentricity, and orbital inclination as well as similar spectral features, which indicate a common origin in the breakup of a larger body. Graphical displays of these element pairs, for members of the asteroid belt, show concentrations indicating the presence of an asteroid family. There are about 20 to 30 associations that are likely asteroid families. Additional groupings have been found that are less certain. Asteroid families can be confirmed when the members display similar spectral features. Smaller associations of asteroids are called groups or clusters. Some of the most prominent families in the asteroid belt (in order of increasing semi major axes) are the Flora, Eunomia, Koronis, Eos, and Themis families. The largest asteroid to be a true member of a family is 4 Vesta. (This is in contrast to an interloper, in the case of Ceres with the Gefion family.) The Vesta family is believed to have formed as the result of a crater forming impact on Vesta. Likewise, the HED meteorites may also have originated from Vesta as a result of this collision. Three prominent bands of dust have been found within the asteroid belt. These have similar orbital inclinations as the Eos, Koronis, and Themis asteroid families, and so are possibly associated with those groupings. The main belt evolution after the Late Heavy Bombardment was likely affected by the passages of large Centaurs and trans Neptunian objects (TNOs). Centaurs and TNOs that reach the inner Solar System can modify the orbits of main belt asteroids, though only if their mass is of the order of e= 9 for single encounters or, one order less in case of multiple close encounters. However, Centaurs and TNOs are unlikely to have significantly dispersed young asteroid families in the main belt, although they can have perturbed some old asteroid families. Current main belt asteroids that originated as Centaurs or trans Neptunian objects may lie in the outer belt with short lifetime of less than 4 million years, most likely orbiting between 2.8 and 3.2 AU at larger eccentricities than typical of main belt asteroids.

Периферия

Внутри пояса (от 1,78 до 2,0 а. е., со средней большой полуосью 1,9 а. е.) располагается семейство малых планет Венгрия. Они названы в честь главного представителя, 434 Hungaria; группа содержит по меньшей мере 52 именованных астероида. Группа Венгрии отделена от основной части разрывом Кирквуда 4:1, а их орбиты характеризуются высоким наклоном. Некоторые члены относятся к категории астероидов, пересекающих орбиту Марса, и гравитационные возмущения со стороны Марса, вероятно, способствуют уменьшению общей численности этой группы. Семейство Фокеи вращается на орбите между 2,25 и 2,5 а. е. от Солнца. У внешнего края пояса астероидов находится группа Кибелы, вращающаяся между 3,3 и 3,5 а. е. Они находятся в орбитальном резонансе 7:4 с Юпитером. Семейство Хильды вращается на орбите между 3,5 и 4,2 а. е. с относительно круговыми орбитами и стабильным орбитальным резонансом 3:2 с Юпитером. Астероидов за 4,2 а. е. немного, вплоть до орбиты Юпитера. На последней находятся две группы троянских астероидов, которые, по крайней мере для объектов размером более 1 км, примерно столь же многочисленны, как астероиды главного пояса.

Новые семьи

Некоторые семейства астероидов сформировались относительно недавно, в астрономических масштабах времени. Семейство Карин, по всей видимости, образовалось около 5,7 миллионов лет назад в результате столкновения с астероидом-предшественником радиусом 33 км. Семейство Веритас сформировалось примерно 8,3 миллиона лет назад; подтверждением этому служит межпланетная пыль, обнаруженная в океанических отложениях. Более недавно, скопление Датура, вероятно, образовалось около 530 000 лет назад в результате столкновения с астероидом из главного пояса. Оценка возраста основана на вероятности сохранения членами скопления текущих орбит, а не на каких-либо физических доказательствах. Тем не менее, это скопление могло быть источником части зодиакальной пыли. Другие недавние образования скоплений, такие как скопление Яннини (около 1–5 миллионов лет назад), могли послужить дополнительными источниками этой астероидной пыли.

Разведка

Первым космическим аппаратом, пересекшим пояс астероидов, был «Пионер-10», который вошёл в регион 16 июля 1972 года. В то время существовали опасения, что обломки в поясе могут представлять опасность для космического аппарата, но с тех пор он был безопасно пересечён несколькими космическими аппаратами без происшествий. «Пионер-11», «Вояджеры-1 и 2» и «Улисс» прошли через пояс, не получив изображений астероидов. «Кассини» измерил плазму и мелкие частицы пыли при пересечении пояса в 2000 году. По пути к Юпитеру «Юнона» пересекла пояс астероидов, не собирая научных данных. Из-за низкой плотности материалов в поясе вероятность столкновения зонда с астероидом оценивается менее чем в 1 к 1 миллиарду. Большинство астероидов главного пояса, заснятых на сегодняшний день, были получены в ходе коротких пролётных миссий зондов, направлявшихся к другим целям. Только миссия «Рассвет» изучала астероиды главного пояса в течение длительного времени на орбите. Космический аппарат «Галилео» сфотографировал 951 Гаспра в 1991 году и 243 Ида в 1993 году, затем «NEAR» сфотографировал 253 Матильду в 1997 году и совершил посадку на околоземный астероид 433 Эрос в феврале 2001 года. «Кассини» сфотографировал 2685 Мазурского в 2000 году, «Стардюст» сфотографировал 5535 Аннфранк в 2002 году, «Новые горизонты» сфотографировали 132524 APL в 2006 году, а «Розетта» сфотографировала 2867 Штейнс в сентябре 2008 года и 21 Лютецию в июле 2010 года. «Рассвет» находился на орбите Весты с июля 2011 года по сентябрь 2012 года и с марта 2015 года находится на орбите Цереры. Космический зонд «Люси» совершил пролёт мимо 152830 Динкинеш в 2023 году, направляясь к троянцам Юпитера. Миссия JUICE Европейского космического агентства (ESA) дважды пройдёт через пояс астероидов, с планируемым пролётом мимо астероида 223 Роза в 2029 году. Космический аппарат «Психея» — это миссия NASA к крупному астероиду типа M 16 Психея.