Nee, het is niet de Universe Puzzle No. 3; het is eerder een intrigerend resultaat van recent werk over de vreemde vormen en samenstelling van kleine asteroïden.
Afbeeldingen die zijn teruggestuurd vanuit ruimtemissies, suggereren dat kleinere asteroïden geen ongerepte stukjes rots zijn, maar in plaats daarvan bedekt zijn met puin dat in grootte varieert van rotsblokken van meterformaat tot meelachtig stof. Sommige asteroïden lijken inderdaad tot 50% lege ruimte te zijn, wat suggereert dat het puinverzamelingen zouden kunnen zijn zonder vaste kern.
Maar hoe vormen en evolueren deze asteroïden? En als we er ooit een moeten afweren, om het lot van de dinosauriërs te vermijden, hoe kunnen we dat dan doen zonder het op te breken en het gevaar veel groter te maken?
Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), met een beetje hulp van Daniel Scheeres, Michael Swift en collega's, te hulp.
Asteroïden hebben de neiging snel rond hun assen te draaien - en de zwaartekracht aan het oppervlak van kleinere lichamen kan een duizendste of zelfs een miljoenste van die op aarde zijn. Als gevolg hiervan vragen wetenschappers zich af hoe het puin zich aan het oppervlak hecht. "De weinige afbeeldingen die we hebben van asteroïde oppervlakken zijn een uitdaging om te begrijpen met behulp van traditionele geofysica", legt Scheeres van de University of Colorado uit.
Om dit mysterie te doorgronden, heeft het team - Daniel Scheeres, collega's van de Universiteit van Colorado en Michael Swift van de Universiteit van Nottingham - een grondige studie gemaakt van de relevante krachten die betrokken zijn bij het binden van puin aan een asteroïde. De vorming van kleine lichamen in de ruimte brengt zwaartekracht en cohesie met zich mee - de laatste is de aantrekkingskracht tussen moleculen aan het oppervlak van materialen. Hoewel de zwaartekracht goed bekend is, is de aard van de samenhangende krachten in het puin en hun relatieve sterkte veel minder bekend.
Het team ging ervan uit dat de cohesiekrachten tussen korrels vergelijkbaar zijn met die in 'cohesieve poeders' - waaronder broodmeel - omdat dergelijke poeders lijken op wat er op asteroïde oppervlakken is waargenomen. Om de betekenis van deze krachten in te schatten, onderzocht het team hun kracht ten opzichte van de zwaartekrachtkrachten die aanwezig zijn op een kleine asteroïde waar de zwaartekracht aan het oppervlak ongeveer een miljoenste is van die op aarde. Het team ontdekte dat de zwaartekracht een ineffectieve bindende kracht is voor gesteenten die worden waargenomen op kleinere asteroïden. Elektrostatische aantrekkingskracht was ook verwaarloosbaar, behalve wanneer een deel van de asteroïde dat door de zon wordt verlicht, in contact komt met een donker deel.
Snel terug naar het midden van de 19e eeuw, een tijd waarin het bestaan van moleculen controversieel was, en intermoleculaire krachten pure science fiction (behalve natuurlijk dat er toen zoiets niet was). Het proefschrift van Van der Waals leverde een krachtige verklaring voor de overgang tussen gasvormige en vloeibare fasen, in termen van zwakke krachten tussen de samenstellende moleculen, waarvan hij aannam dat ze een eindige omvang hadden (er zou meer dan een halve eeuw voorbijgaan voordat deze krachten werden begrepen) , kwantitatief, in termen van kwantummechanica en atoomtheorie).
Van der Waals-krachten - zwakke elektrostatische attracties tussen aangrenzende atomen of moleculen die ontstaan door fluctuaties in de posities van hun elektronen - lijken de truc te doen voor deeltjes die kleiner zijn dan ongeveer een meter groot. De grootte van de van der Waals-kracht is evenredig met het contactoppervlak van een deeltje - in tegenstelling tot de zwaartekracht, die evenredig is met de massa (en dus het volume) van het deeltje. Hierdoor neemt de relatieve sterkte van van der Waals in vergelijking met de zwaartekracht toe naarmate het deeltje kleiner wordt.
Dit zou bijvoorbeeld recente waarnemingen van Scheeres en collega's kunnen verklaren dat kleine asteroïden bedekt zijn met fijn stof - materiaal waarvan sommige wetenschappers dachten dat het door zonnestraling zou worden verdreven. Het onderzoek kan ook gevolgen hebben voor de manier waarop asteroïden reageren op het "YORP-effect" - de toename van de hoeksnelheid van kleine asteroïden door absorptie van zonnestraling. Aangezien de lichamen sneller ronddraaien, suggereert dit recente werk dat ze grotere rotsen zouden verdrijven met behoud van kleinere. Als zo'n asteroïde een verzameling puin zou zijn, zou het resultaat een verzameling kleinere deeltjes kunnen zijn die bij elkaar gehouden worden door van der Waals-krachten.
Asteroïde-expert Keith Holsapple van de Universiteit van Washington is onder de indruk dat het team van Scheeres niet alleen de krachten in het spel op een asteroïde heeft geschat, maar ook heeft gekeken hoe deze variëren met asteroïden en deeltjesgrootte. "Dit is een zeer belangrijk artikel dat een sleutelprobleem behandelt in de mechanica van de kleine lichamen van het zonnestelsel en de deeltjesmechanica bij lage zwaartekracht," zei hij.
Scheeres merkte op dat het testen van deze theorie een ruimtemissie vereist om de mechanische en sterkte-eigenschappen van het oppervlak van een asteroïde te bepalen. 'We zijn nu zo'n voorstel aan het ontwikkelen', zei hij.
Bron: Physics World. "Schaalkrachten op asteroïde oppervlakken: de rol van cohesie" is een voordruk van Scheeres, et al. (arXiv: 1002.2478), ingediend voor publicatie in Icarus.
