Asteroidien täydellinen tuhoutuminen Auringon lähellä on aiemmin selittämättömien asteroidi- ja meteorihavaintojen taustalla

Suomalais-ranskalais-yhdysvaltalais-tšekkiläisen tutkijaryhmän alkuperäinen tarkoitus oli ainoastaan rakentaa lähiasteroidipopulaatiosta malli, jota tarvitaan esimerkiksi asteroidien etsintäohjelmien ja asteroideihin liittyvien avaruusmissioiden suunnitteluun. Valmis malli kuvaa lähiasteroidien arvioituja rata- ja kokojakaumia, mutta siihen liittyvä tutkimus johti myös merkittävään edistysaskeleeseen asteroiditutkimuksessa yleisesti.

Tutkijaryhmä perustaa mallinsa lähes yhdeksääntuhanteen lähiasteroidihavaintoon noin sadantuhannen kuvan sarjassa, jotka viime vuosikymmenen menestyksekkäin asteroidienetsintäohjelma, Catalina Sky Survey (CSS) Arizonassa Yhdysvalloissa, on ottanut kartoittaessaan yötaivasta.

Suurin osa lähiasteroideista on alun perin lähtöisin donitsin muotoiselta asteroidien päävyöhykkeeltä, joka sijaitsee Marsin ja Jupiterin ratojen välissä. Asteroidin rata muuttuu hiljalleen, kun sen epätasaisen pinnan lämpösäteily työntää sitä systemaattisesti yhteen suuntaan. Ennen pitkää asteroidi ajautuu alueelle, jossa Jupiter tai Saturnus aiheuttaa sen radalle voimakkaita häiriöitä niin sanotussa resonanssi-ilmiössä. Näiden resonanssien alueella asteroidin rata alkaa muuttua nopeasti siten, että alun perin lähes ympyrämäinen rata alkaa soikeutua voimakkaasti niin, että sen Aurinkoa lähinnä oleva piste, eli niin sanottu periheli, ei enää ole Marsin radan ulkopuolella vaan alkaa lähestyä Maan rataa. Virallisen määritelmän mukaan lähiasteroidiksi kutsutaan niitä asteroideja, joiden perihelin etäisyys Auringosta on alle 1.3 kertaa Maan etäisyys Auringosta.

Malli lähiasteroidien rata- ja kokojakaumista täydentyi todisteilla asteroidien täydellisestä hajoamisesta ennen törmäystä Aurinkoon

Tutkijoiden täytyi ensin mallintaa havaintovääristymät, sillä lähelle Maata tulevia, hitaasti liikkuvia ja/tai suuria asteroideja on huomattavasti helpompi löytää kuin kaukaa Maan ohittavia, nopeasti liikkuvia ja/tai pieniä asteroideja. Tämän jälkeen tutkijaryhmä yhdisti mallinnetut havaintovääristymät lähiasteroidihavaintoihin ja lähiasteroidien teoreettisesti hyvin ymmärrettyihin ratajakaumiin, jotka vaihtelevat sen mukaan, mistä päävyöhykkeen resonanssista lähiasteroidi on alun perin joutunut Maata lähestyvälle radalleen. Yhdistämisen seurauksena syntyi tarkin koskaan tehty malli lähiasteroidien rata- ja kokojakaumista.

Pian tutkijaryhmä kuitenkin huomasi, että mallissa oli ongelma – se ennusti, että CSS:n olisi pitänyt havaita noin 5 prosenttia enemmän lähiasteroideja ja näistä lähes kaikkien pitäisi olla radoilla, joilla on pieni perihelietäisyys. Malli ennusti, että CSS:n olisi pitänyt löytää noin kymmenen kertaa enemmän sellaisia lähiasteroideja, jotka käyvät lähempänä kuin kymmenen Auringon halkaisijan etäisyydellä Auringosta.

Ryhmä käytti tämän jälkeen lähes vuoden laskelmien tarkastamiseen ja toistamiseen. Johtopäätös oli, että mallinnuksessa itsessään ei ollut virheitä vaan ongelma kumpusi niistä Aurinkokunnan toimintaan liittyvistä taustaoletuksista, joihin mallinnus perustui.

Tässä vaiheessa Nature-artikkelin pääkirjoittaja, planeettatutkija Mikael Granvik Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta, ehdotti, että malli saataisiin sopimaan paremmin havaintoihin, jos lähiasteroidit tuhoutuvat Auringon lähellä mutta kuitenkin kauan ennen varsinaista törmäystä. Kun mallia muokattiin vastaamaan oletusta, että lähiasteroidit tuhoutuvat, jos ne viettävät liian paljon aikaa noin kahdenkymmenen Auringon säteen etäisyydellä Auringosta, korjattu malli oli täydellisesti sopusoinnussa havaintojen kanssa kaikilla perihelietäisyyksillä ja erityisesti aiemmin ongelmalliseksi osoittautuneella Auringon ja Merkuriuksen välisellä alueella.

Selityksensä saavat myös meteoriparvien emokappaleiden puuttuminen ja tummien asteroidien herkkä hajoaminen

Tutkijaryhmän löytö selittää muitakin viime aikoina julkaistuja epäjohdonmukaisuuksia Aurinkokunnan pienkappaleita koskevien havaintojen ja mallien välillä.

Meteorit, eli tähdenlennot, ovat pieniä hiekanjyviä tai kiviä, jotka irtoavat asteroidien ja komeettojen pinnalta ja ilmakehään osuessaan palavat kirkkaasti jättäen jälkeensä valojuovan. Ne jakautuvat avaruudessa eräänlaisiksi meteoriparviksi, jotka liikkuvat emoasteroidin tai -komeetan radalla. Useimmille niistä meteoriparvista, joiden radat käyvät Auringon lähellä, ei ole löydetty emokappaletta.

Granvikin johtama tutkijaryhmä päättelee, että nämä emokappaleet ovat tuhoutuneet kokonaan Auringon lähellä ja meteoriparvien emokappaleiden puuttumiselle on sen takia järkevä selitys.

Tutkijaryhmä osoittaa Nature-artikkelissa myös, että tummemmat asteroidit tuhoutuvat keskimäärin kauempana Auringosta kuin vaaleammat asteroidit. Tämä selittää aiemman löydön, jonka mukaan lähempänä Aurinkoa käyvät asteroidit ovat keskimäärin vaaleampia kuin kauempana Auringosta pysyttelevät – tummemmat Aurinkoa lähellä kiertäneet asteroidit ovat jo tuhoutuneet. Se että tummemmat asteroidit hajoavat herkemmin kuin vaaleammat viittaa siihen, että näiden pinnaltaan erityyppisten asteroidien sisäinen koostumus ja, mahdollisesti, rakenne on erilainen.

Granvikin mukaan heidän esittämänsä todisteet asteroidien täydellisestä hajoamisesta ennen törmäystä Aurinkoon auttaa planeettatutkijoita tulkitsemaan useita viimeaikaisia havaintoja uudessa valossa, mutta johtaa myös perustavanlaatuiseen edistysaskeleeseen asteroiditutkimuksessa:

- Ehkä kaikkein kiehtovin johtopäätös tästä tutkimuksesta on se, että se osoittaa, että asteroidien fysikaaliset ominaisuudet täytyy vastedes huomioida populaatiomalleissa, jos halutaan kokonaisuudessaan käyttää hyväksi sitä valtavaa aineistoa, jota asteroidienetsintäohjelmat jatkuvasti tuottavat. Vahvasti yksinkertaistettuna voidaan siis sanoa, että tästä lähtien on mahdollista asettaa rajoituksia asteroidien sisäiselle rakenteelle ja koostumukselle pitämällä lukua niiden radoista ja kokoluokista. Tämä on johtopäätös, joka avaa uusia tutkimussuuntauksia ja jota ei alkuunkaan osattu ennakoida, kun aloimme rakentaa uutta lähiasteroidien populaatiomallia.

Viite:

Mikael Granvik, Alessandro Morbidelli, Robert Jedicke, Bryce Bolin, William F. Bottke, Edward Beshore, David Vokrouhlický, Marco Delbò, and Patrick Michel (2016). Super-catastrophic disruption of asteroids at small perihelion distances. Nature 530, 18.2.2016

Kuvateksti:

Taiteilijan näkemys asteroidin täydellisestä tuhoutumisesta toistuvien Auringon lähiohitusten seurauksena. Uudet arviot asteroidien rata- ja kokojakaumista osoittavat, että asteroidit tuhoutuvat täydellisesti muutamien kymmenien Auringon säteiden etäisyydellä Auringosta. Vielä on kuitenkin epäselvää, minkälainen mekanismi saa asteroidit hajoamaan. Tähän mennessä tutkijaryhmä on sulkenut pois vain kaikkein ilmeisimmät vaihtoehdot eli Auringon aiheuttamat vuorovesivoimat ja sublimoitumisen eli aineen olomuodon muutoksen suoraan kiinteästä aineesta kaasuksi. Yksi mahdollinen selitys on että kiviaineksen sisältämän veden ja muiden helposti haihtuvien aineiden lämpölaajeneminen saa sen pirstaloitumaan.

Kuva: Lauri Voutilainen

Lähiasteroidien populaatiomallinnusprojektista:

Projekti saavutti sille asetetun tavoitteen uuden lähiasteroidimallin kehittämisestä tieteellisiin ja teknisiin tarkoituksiin. Projekti toteutettiin kansainvälisenä yhteistyönä ja tutkimukseen osallistuivat Helsingin yliopisto, Observatoire de la Côte d'Azur (Ranska), University of Hawaii (Yhdysvallat), Southwest Research Institute (Yhdysvallat), University of Arizona (Yhdysvallat) ja Charles University (Tšekin tasavalta). DLR Berlin (Saksa) ja University of Braunschweig (Saksa) kehittivät infrastruktuurin, joka mahdollistaa uuden lähiasteroidimallin tehokkaan hyödyntämisen. Projektia rahoittivat Euroopan avaruusjärjestön (ESA) General Support Technology Programme (GSTP), Yhdysvaltain avaruushallinnon (NASA) Near Earth Object Observing (NEOO) -ohjelma, Suomen Akatemia sekä Czech Science Foundation. Laskentakapasiteettia tarjosivat CSC – Tieteen tietotekniikan keskus, Suomen gridlaskennan infrastruktuuri sekä SIGAMM (Observatoire de la Côte d'Azur, Ranska).

Yhteystiedot:

Dosentti Mikael Granvik, Helsingin yliopiston fysiikan laitos, +358 50 318 2271, mgranvik@iki.fi

Ystävällisin terveisin
Minna Meriläinen-Tenhu, 050 415 0316, @MinnaMeriTenhu