Kleine Asteroiden, Brotmehl und die 150 Jahre alte Theorie eines niederländischen Physikers

Nein, es ist nicht das Universumspuzzle Nr. 3; Vielmehr ist es ein faszinierendes Ergebnis der jüngsten Arbeiten zu den seltsamen Formen und der Zusammensetzung kleiner Asteroiden.

Von Weltraummissionen zurückgeschickte Bilder deuten darauf hin, dass kleinere Asteroiden keine unberührten Felsbrocken sind, sondern mit Trümmern bedeckt sind, deren Größe von metergroßen Felsbrocken bis zu mehlartigem Staub reicht. In der Tat scheinen einige Asteroiden zu 50% leer zu sein, was darauf hindeutet, dass es sich um Trümmersammlungen ohne festen Kern handeln könnte.

Aber wie bilden und entwickeln sich diese Asteroiden? Und wenn wir jemals einen ablenken müssen, um das Schicksal der Dinosaurier zu vermeiden, wie können wir dies tun, ohne es zu zerbrechen und die Gefahr weitaus größer zu machen?

Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), mit ein wenig Hilfe von Daniel Scheeres, Michael Swift und Kollegen zur Rettung.

Asteroiden neigen dazu, sich schnell um ihre Achsen zu drehen – und die Schwerkraft an der Oberfläche kleinerer Körper kann ein Tausendstel oder sogar ein Millionstel der Schwerkraft auf der Erde betragen. Infolgedessen fragen sich die Wissenschaftler, wie die Trümmer an der Oberfläche haften. "Die wenigen Bilder, die wir von Asteroidenoberflächen haben, sind eine Herausforderung, die mit der traditionellen Geophysik zu verstehen ist", erklärte Scheeres von der University of Colorado.

Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, untersuchte das Team – Daniel Scheeres, Kollegen an der University of Colorado und Michael Swift an der University of Nottingham – gründlich die relevanten Kräfte, die beim Binden von Trümmern an einen Asteroiden eine Rolle spielen. Die Bildung kleiner Körper im Raum beinhaltet Schwerkraft und Zusammenhalt – letzteres ist die Anziehungskraft zwischen Molekülen an der Oberfläche von Materialien. Während die Schwerkraft gut verstanden ist, ist die Art der in den Trümmern wirkenden Kohäsionskräfte und ihre relativen Stärken viel weniger bekannt.

Das Team ging davon aus, dass die Kohäsionskräfte zwischen den Körnern denen in „kohäsiven Pulvern“ – zu denen auch Brotmehl gehört – ähnlich sind, da solche Pulver dem ähneln, was auf Asteroidenoberflächen beobachtet wurde. Um die Bedeutung dieser Kräfte einzuschätzen, berücksichtigte das Team ihre Stärke im Verhältnis zu den Gravitationskräften eines kleinen Asteroiden, bei dem die Schwerkraft an der Oberfläche etwa ein Millionstel der auf der Erde beträgt. Das Team stellte fest, dass die Schwerkraft eine ineffektive Bindungskraft für Gesteine ​​ist, die bei kleineren Asteroiden beobachtet werden. Die elektrostatische Anziehung war ebenfalls vernachlässigbar, außer wenn ein Teil des Asteroiden, den die Sonne beleuchtet, mit einem dunklen Teil in Kontakt kommt.

Schneller Rücklauf bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts, als die Existenz von Molekülen umstritten war und intermolekulare Kräfte reine Science-Fiction waren (außer natürlich, dass es so etwas damals nicht gab). Van der Waals 'Doktorarbeit lieferte eine aussagekräftige Erklärung für den Übergang zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen in Bezug auf schwache Kräfte zwischen den Molekülbestandteilen, von denen er annahm, dass sie eine endliche Größe haben (mehr als ein halbes Jahrhundert sollte vergehen, bevor diese Kräfte verstanden wurden quantitativ in Bezug auf die Quantenmechanik und die Atomtheorie).

Van-der-Waals-Kräfte – schwache elektrostatische Anziehungskräfte zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen, die durch Schwankungen der Positionen ihrer Elektronen entstehen – scheinen bei Partikeln mit einer Größe von weniger als etwa einem Meter den Trick zu tun. Die Größe der Van-der-Waals-Kraft ist proportional zur Kontaktoberfläche eines Partikels – im Gegensatz zur Schwerkraft, die proportional zur Masse (und damit zum Volumen) des Partikels ist. Infolgedessen nimmt die relative Festigkeit von van der Waals im Vergleich zur Schwerkraft zu, wenn das Partikel kleiner wird.

Dies könnte zum Beispiel die jüngsten Beobachtungen von Scheeres und Kollegen erklären, dass kleine Asteroiden mit Feinstaub bedeckt sind – Material, von dem einige Wissenschaftler dachten, dass es durch Sonnenstrahlung vertrieben würde. Die Forschung kann auch Auswirkungen darauf haben, wie Asteroiden auf den „YORP-Effekt“ reagieren – die Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit kleiner Asteroiden durch Absorption von Sonnenstrahlung. Da sich die Körper schneller drehen, deutet diese jüngste Arbeit darauf hin, dass sie größere Gesteine ​​ausstoßen und kleinere behalten würden. Wenn ein solcher Asteroid eine Ansammlung von Trümmern wäre, könnte das Ergebnis ein Aggregat kleinerer Partikel sein, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden.

Der Asteroidenexperte Keith Holsapple von der University of Washington ist beeindruckt, dass Scheeres 'Team nicht nur die auf einen Asteroiden einwirkenden Kräfte geschätzt hat, sondern auch untersucht hat, wie sich diese mit der Asteroiden- und Partikelgröße unterscheiden. "Dies ist ein sehr wichtiges Papier, das sich mit einem Schlüsselproblem in der Mechanik der kleinen Körper des Sonnensystems und der Teilchenmechanik bei niedriger Schwerkraft befasst", sagte er.

Scheeres bemerkte, dass das Testen dieser Theorie eine Weltraummission erfordert, um die mechanischen und Festigkeitseigenschaften der Oberfläche eines Asteroiden zu bestimmen. "Wir entwickeln jetzt einen solchen Vorschlag", sagte er.

Quelle: Physikwelt. "Skalierungskräfte auf Asteroidenoberflächen: Die Rolle des Zusammenhalts" ist ein Vorabdruck von Scheeres et al. (arXiv: 1002.2478), zur Veröffentlichung in Icarus eingereicht.

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