Κατανομή μεγέθους τεμαχίου ως όπλο καπνίσματος του σχηματισμού οικογένειας αστεροειδών
Μεταξύ των αστεροειδών, μικρών κόσμων που περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο μεταξύ του Άρη και του Δία, βρίσκουμε αυτούς που σχετίζονται γενετικά μεταξύ τους. Είναι μέλη των λεγόμενων οικογενειών αστεροειδών. Αυτοί οι αστεροειδείς έχουν πολύ παρόμοιες τροχιές και άλλα φυσικά χαρακτηριστικά, όπως φάσματα.
Ακριβώς πριν από 100 χρόνια, αυτά παρατηρήθηκαν από έναν Ιάπωνα αστρονόμο Kiyotsugu Hirayama και η τρέχουσα άποψη των οικογενειών των αστεροειδών είναι ότι είναι ομάδες αστεροειδών που προέρχονται από έναν μόνο μεγάλο αστεροειδή. Αυτός ο μητρικός αστεροειδής χτυπήθηκε από άλλον αστεροειδή στο παρελθόν και είτε διασπάστηκε εντελώς σε κομμάτια διαφόρων μεγεθών είτε έπεσε σε μεγάλους κρατήρες και το υλικό που εκτοξεύτηκε σχημάτισε την οικογένεια αστεροειδών.
Οι οικογένειες αστεροειδών μας παρέχουν μια μοναδική πηγή πληροφοριών για τους αστεροειδείς. Είναι τεράστια φυσικά εργαστήρια επειδή περιέχουν πληροφορίες για τη γιγαντιαία σύγκρουση που σχημάτισε την οικογένεια καθώς και για την εσωτερική δομή και σύνθεση του μητρικού αστεροειδούς.
Μία από τις πληροφορίες είναι τα μεγέθη μεμονωμένων μελών της οικογένειας ή, με άλλα λόγια, τα κομμάτια του μητρικού αστεροειδούς που αρχικά διασπάστηκε για να σχηματιστεί η οικογένεια. Όταν ταξινομούμε τα μέλη με βάση το μέγεθός τους, μπορούμε να σχεδιάσουμε αυτό που ονομάζουμε κατανομή μεγέθους-συχνότητας (ή SFD) της οικογένειας και από τα χαρακτηριστικά της, μπορούμε να συμπεράνουμε περισσότερα για τη σύγκρουση. Στο Σχ. 1 βλέπουμε SFD ορισμένων οικογενειών αστεροειδών, συμπεριλαμβανομένης μιας πολύ ενδιαφέρουσας οικογένειας στην οποία επικεντρωθήκαμε στην εργασία μας, της οικογένειας Datura.
Η οικογένεια Datura ανακαλύφθηκε και αναγνωρίστηκε ως πολύ νεαρή οικογένεια από τον Nesvorný et al. (2006). Βρίσκεται στην κύρια ζώνη αστεροειδών και όπως διαπιστώθηκε αργότερα ότι η οικογένεια σχηματίστηκε πολύ πρόσφατα, μόλις πριν από 0,5 εκατομμύρια χρόνια, από ένα γεγονός κρατήρα σε έναν μικρό αστεροειδή 1270 Datura, διαμέτρου μόλις 8 km. Η οικογένεια Datura δεν είναι μεγάλη οικογένεια όσον αφορά τα μεγέθη των μελών της ή όσον αφορά τον αριθμό τους. Σήμερα γνωρίζουμε μόνο 17 επιβεβαιωμένα μέλη αυτής της οικογένειας. Αυτό προκαλείται κυρίως από μια μεγάλη προκατάληψη παρατήρησης.
Ποια είναι η παρατήρηση; Είναι ένα φαινόμενο που προκύπτει από την περιορισμένη ικανότητά μας να βλέπουμε μικροσκοπικούς και αμυδρούς αστεροειδείς με τα τηλεσκόπια μας. Η παρατήρησή μας είναι πιο ευαίσθητη σε μεγάλα και όχι τόσο μακρινά, επειδή αυτοί οι αστεροειδείς αντανακλούν πολύ περισσότερο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε. Τότε λέμε ότι η παρατήρησή μας είναι προκατειλημμένη προς φωτεινότερους αστεροειδείς. Ωστόσο, λόγω μιας μετρημένης μεροληψίας των τηλεσκοπίων μας, ήταν δυνατό να εκτιμηθεί πώς μπορεί να μοιάζει το πραγματικό SFD της οικογένειας (Vokrouhlický et al., 2017).
Τώρα έρχεται η φάση της ερμηνείας. Όταν εξετάζουμε το SFD της οικογένειας Datura, φαίνεται σαφώς διαφορετικό από το SFD άλλων οικογενειών. Ωστόσο, η πιθανή αποκλίνουσα SFD της οικογένειας Datura (διακεκομμένη γραμμή στο Σχήμα 1), ωστόσο, δεν είναι τόσο διαφορετική. Μετατοπίζεται μόνο προς μικρότερα μεγέθη επειδή τα μέλη Datura είναι μικροί αστεροειδείς. Επίσης λυγίζει καθώς τα SFD άλλων οικογενειών σε πιο ρηχή πλαγιά. Παρατηρήστε ότι κάμπτεται κατά προσέγγιση σε παρόμοιο μέγεθος 1–2 km για όλες τις οικογένειες που έχουν σχεδιαστεί. Γιατί είναι έτσι? Πιστεύουμε ότι αυτό προκαλείται κυρίως από την παρατήρηση. Οι αστεροειδείς της κύριας ζώνης με διάμετρο περίπου λίγων χιλιομέτρων είναι περίπου οι μικρότεροι που μπορούμε να ανακαλύψουμε και να παρατηρήσουμε τακτικά. Παρατηρούμε επίσης μικρότερα, αλλά είναι μάλλον σπάνια. Έτσι, οι SFD πιθανότατα λυγίζουν επειδή παρατηρούμε πολύ λίγους αστεροειδείς αυτού του μεγέθους ή μικρότερου που θα μπορούσαν να αναγνωριστούν ως μέλη της οικογένειας.
Οι μικροί αστεροειδείς, όταν διαμορφωθούν σωστά, μπορούν σταδιακά να περιστρέφονται προς τα πάνω ή προς τα κάτω από την εκ νέου εκπομπή του ηλιακού φωτός από τα επιφανειακά τους στρώματα και τελικά μπορούν να αρχίσουν να απορρίπτουν υλικό και ακόμη και να σχίζονται. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φαινόμενο Yarkovsky–O’Keefe–Radzievskii–Paddack (ή YORP). Με βάση αυτό, οι Vokrouhlický et al. (2017) πρότεινε έναν άλλο μηχανισμό που θα μπορούσε να είναι υπεύθυνος για ένα διαφορετικό SFD της οικογένειας Datura. Συγκεκριμένα, θα μπορούσε ενδεχομένως να εξηγηθεί από μια σύγκρουση του σχεδόν εξαιρετικά περιστρεφόμενου 1270 Datura με ένα συγκριτικά μικρότερο βλήμα. Σημαίνει ότι πριν σχηματιστεί η οικογένεια, το 1270 Datura περιστρεφόταν τόσο γρήγορα που μερικά από τα μέρη στον ισημερινό του σχεδόν ξεφεύγουν από την επιφάνειά του. Αυτή η υπόθεση πρέπει να ελεγχθεί πιθανώς με αριθμητικές προσομοιώσεις.
Η χαμηλότερη κλίση του SFD θα μπορούσε επίσης να εξηγηθεί από τα χαμένα μέλη της οικογένειας που θα μπορούσαν να είχαν καταστραφεί είτε από το προαναφερθέν φαινόμενο YORP είτε από τη σύγκρουση. Υπολογίσαμε τις πιθανότητες τέτοιων διεργασιών δεδομένης της νεαρής ηλικίας της οικογένειας Datura και πήραμε πολύ χαμηλούς αριθμούς της τάξης μερικών τοις εκατό για τα μικρότερα μέλη και μόνο μερικά δέκατα του τοις εκατό για τα μεγαλύτερα μέλη της οικογένειας. Με άλλα λόγια, οι μικροί αστεροειδείς που ανήκουν στην Datura είναι ακόμα εκεί, αλλά δεν τους βλέπουμε ακόμα.
Υπάρχει ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό που μπορούμε να δούμε στα SFD's ορισμένων οικογενειών αστεροειδών. Μοιάζει με ένα χτύπημα και συνήθως εμφανίζεται μεταξύ δεύτερου και πέμπτου μέλους της οικογένειας. Παρατηρήσαμε αυτό το χαρακτηριστικό επίσης στο SFD της Datura και παρόλο που θα μπορούσε επίσης να εξηγηθεί από μια παρατήρηση, αρχίσαμε να σκεφτόμαστε άλλες δυνατότητες. Επιπλέον, γνωρίζουμε επίσης ότι μερικά από τα μεγαλύτερα θραύσματα είναι πολύ επιμήκεις αστεροειδείς ή ίσως δυαδικοί αστεροειδείς επαφής (δύο αστεροειδείς κάθονται ο ένας πάνω στον άλλο). Αυτό είναι αρκετά χαρακτηριστικό για τους λεγόμενους κρατήρες που παρατηρούμε σε κάθε εργαστηριακό πείραμα πρόσκρουσης μικρής κλίμακας. Θα μπορούσε να υπάρχει ένας μεγάλος κρατήρας στο Datura; Η απάντηση είναι ναι!
Υποθέτουμε ότι η οικογένεια Datura θα μπορούσε να έχει δημιουργηθεί από σπασμένους κρατήρες στην επιφάνεια του 1270 Datura με βάση την κλιμάκωση των κρούσεων σε ένα βραχώδες υλικό από το οποίο πιθανώς είναι κατασκευασμένο το Datura και λαμβάνοντας υπόψη το μικρό μέγεθος του Datura. Αυτό θα εξηγούσε το χτύπημα στο SFD και επίσης το επίμηκες σχήμα των μεγαλύτερων μελών της οικογένειας. Συγκρίναμε επίσης το παρατηρούμενο SFD της οικογένειας Datura με τις κατανομές μεγέθους των εργαστηριακών πειραμάτων πρόσκρουσης μικρής κλίμακας που είναι γνωστό ότι παράγουν σπασμένους κρατήρες και υπάρχει στενή αντιστοίχιση.
Συμπερασματικά, το SFD της πολύ νεαρής οικογένειας Datura διαφέρει από άλλες κατανομές μεγέθους οικογένειας λόγω παρατηρησιακής προκατάληψης. Τα περισσότερα από τα γνωστά μέλη του είναι μικρότερα από αυτά σε άλλες οικογένειες και αυτό εξηγεί τον μικρό αριθμό των γνωστών μελών της οικογένειας και επίσης την εμφανή ρηχότητα του SFD. Το χτύπημα στο SFD μπορεί να εξηγηθεί από τον βραχώδη κρατήρα που παρατηρούμε συνήθως σε εργαστηριακά πειράματα πρόσκρουσης μικρής κλίμακας.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ερμηνείες των διανομών οικογενειακού μεγέθους:Το παράδειγμα Datura, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Tomáš Henych και Keith A. Holsapple από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.
Αναφορές:
- Nesvorný, D., Vokrouhlický, D., Bottke, W.F., 2006. Η διάσπαση ενός αστεροειδούς της κύριας ζώνης πριν από 450 χιλιάδες χρόνια. Science 312 (5779), 1490.
- Vokrouhlický, D., Pravec, P., Durech, J., et al., 2017. Η νεαρή οικογένεια αστεροειδών Datura:περιστροφές, σχήματα και εκτίμηση πληθυσμού. A&A 598, 19 id A91.
