حزام الكويكبات

استكشاف الحزام

في عام 1596 توقع عالم الفلك يوهانس كيبلر أن هناك شيء بين مدار المريخ والمشتري. وأثناء تحليلاته لبيانات العالم الفلكي تيخو براهي. فكر أن هناك فجوة كبيرة بين مدار المريخ والمشتري.
في عام 1766 دَوّن العالم يوهان دانيال تيتيوس  في ترجمة ألمانية لكتاب تشارلز بونيه (التأمل في الطبيعة)، ملاحظة وهي أن الكواكب تخصع لتتابع رياضي عجيب، حيث أن الكواكب تحمل رقم حسب الترتيب والأرقام هي: (0، ثم 3 ، 6 ، 12 ، 24 ، 48 ، 96 ، 192)؛ حيث أن عطارد يحمل الرقم 0 ، والزهرة تحمل الرقم 3 ، والأرض الرقم 6 وهكذا... وبالتالي نجد أن كل عدد هو ضعف العدد الذي قبله.
فإذا تم إضافة العدد 4 إلى رقم الكوكب، ومن ثم قسمة ناتج الجمع على العدد 10، فسيتم الحصول على أرقام تساوي أبعاد الكواكب عن الشمس مقدرة بالوحدة الفلكية. والشيء الوحيد الذي اُعتبر خطأ هو أنه لم يكن هناك كواكب في الموضع 24 بين المريخ(12) والمشتري(48). وكذلك لم يكن هناك كوكب في الموضع (192)
وعندما اكتشف العالم ويليام هيرشل الكوكب أورانوس عام 1781م الذي يقع في الموضع (192) والذي طابق القانون تماماً، قال الفلكيون لابد من وجود كوكب بين مدار المريخ والمشتري، فاقترح الفلكي الألماني "يوهان بود" وجود كوكب آخر في الفجوة المدارية بين كوكبي المريخ والمشتري. وفي عام 1801م تم اكتشاف سيريس (الجسم الأكبر في الحزام) في المكان الذي تنبأ به "يوهان بود" وهو الرقم (24) وقد اُفترض أنه مذنب لكن عدم وجود ذؤابة(ذيل المذنب) لسيريس اقترح بإنه كوكب، وهذا القانون يعرف الآن بقانون تايتوس - بود ولقد خمن هذا القانون أبعاد جميع الكواكب الثمانية في ذلك الوقت (عطارد، الزهرة، الأرض، المريخ، سيريس، المشتري، زحل، أورانوس) عن الشمس.
وبعد 15 شهر في عام 1802 اكتشف الفلكي هاينريش أولبرز الكويكب "2 بيلاس"، وافترض أن هذا الكويكب والأجسام الصغيرة المحيطة به هي بقايا كوكب مُدَمّر كان يدور في هذا المكان، وفي عام 1807 اكتشف كويكبين آخرين هما "3 جونو" و"4 فيستا"، ولأن شكل هذين الكويكبين يميل إلى شكل نجمة، فقد اقترح ويليام هيرشل على هذا النوع من الكويكبات اسم asteroid، والكلمة تصغير لكلمة aster اليونانية التي تعني نجم.
في عام 1807 كشفت الأبحاث جسمين جديدين في المنطقة هما: جونو، فيستا  بقيام الحروب التي أشعلها "نابليون بونابرت" في أوروبا، توقفت الاكتشافات الفلكية عند هذا الحد، إلى أن تم استئنافها مرة أخرى عام 1845 باكتشاف الكويكب "5 أسترا". بعد هذا توالت الاكتشافات في منطقة حزام الكويكبات، وبحلول منتصف 1866 كان هناك 100 كويكب قد تم اكتشافه عن طريق التصوير الفلكي للعالم ماكس فولف . وبحلول عام 1921م زاد عدد الكويكبات المكتشفة إلى 1000 كويكب ، ووصل إلى 10,000 كويكب في عام 1981، وبَلغَ عدد الكويكبات المكتشفة حوالي 100,000 كويكب في عام 2000،واليوم نعرف أن عددها يصل إلى بضعة ملايين حوالي 1.7 مليون منها يصل قطرها إلى كيلومتر أو أكبر قليلا، وهناك حوالي 200 كويكب يتجاوز قطرها 100 كيلومتر.
ولقد أدى اكتشاف كوكب نبتون في عام 1846 إلى تكذيب قانون بود في عين العلماء، وذلك لأن مداره لم يكن في البعد الصحيح كما توقعه القانون. وحتى الآن لا يوجد تفسير علمي للقانون، ويعتبره العلماء مجرد صدفة.
وفي عام 2006 تم اكتشاف مجموعة من المذنبات تدور في حزام الكويكبات.

التشكل

في عام 1802، بعد فترة قصيرة من اكتشاف كويكب بالاس اقترح اولبرز لهيرشل فرضية وهي أن كويكب سيريس وبالاس كانوا فُتات لكوكب كبير كان يتواجد في المنطقة التي تقع  بين كوكب المريخ والمشتري، وأن هذا الكوكب قد عانى من إنفجار داخلي أو تصادم مذنبات قبل ملايين السنين. وبمرور الوقت لم يدعم أحد هذه الفرضية. وذلك لأن كتلة الكويكبات مجتمعة أقل من كتلة القمر ، والتي تشكل 4% فقط من كتلة القمر، كما أن إنفجار كوكب كامل يتطلب كم كبير جداً من الطاقة، ما يعني أن تأثير الأنفجار كان سيظهر على باقي أجرام المجموعة الشمسية، ومن الأشياء التي ساعدت على ادحاض فرضية الكوكب الكبير ، الأختلافات الكيميائية الهامة بين المذنبات كانت ستصبح صعبة التفسير لو كانوا شكلوا كوكباً واحداًً. واليوم معظم العلماء يتفقون على أن الكويكبات لم تشكل كوكباً على الأطلاق.
وبشكل عام، في النظام الشمسي ، يُعتقد أن الكويكبات قد تشكلت من خلال عملية مماثلة لفرضية السديم إستغرقت ملايين السنين : وهي أن سحابة هائلة كثيفة من الغبار والغاز بين النجوم أنهارت تحت تأثير الجاذبية وشكلت قرص دوار من المواد التي تكثفت فيما بعد لتشكل الشمس والكواكب. وخلال المليون سنة الأولى من تاريخ النظام الشمسي ، أدت عملية التنامي إلى اصطدامات مما أدى إلى ثقل الجزيئات الصغيرة ، والتي زادت في الحجم تدريجيا. وحالما وصلت الجزيئات إلى كتلة كافية بدأت في الانسحاب إلى الاجسام الأخرى عن طريق الجاذبية مما أدى إلى تشكيل كواكب مصغرة، وبعد ذلك تشكلت الكواكب.
الكواكب المصغرة في المنطقة( التي كونت فيما بعد حزام الكويكبات) كانت شديدة الاضطراب بسبب جاذبية كوكب المشتري ولهذا السبب لم تشكل كوكباً. وبدلاً من أن تشكل كوكب، استمرت في الدوران حول الشمس كما كانت قبل ذلك، وتضطرب في بعض الأحيان. حطامات الكواكب المصغرة التي توجد في المناطق التي فيها معدل الاصدامات كبير للغاية، طَغت على ظاهرة التنامي، فمنعت من تشكيل اجسام بحجم الكواكب. حدثت رنينات مدارية في الحزام عندما شكلت الفترة المدارية لجسم في الحزام عدد صحيحاً صغير للفترة المدارية للمشتري. مما جعلت الجسم يضطرب إلى مدار اخر؛ المنطقة الواقعة بين المشتري والمريخ تحتوي على الكثير من المدارات الرنينية. وعندما هاجر المشتري من تكوينه إلى موقعه الحالي كان من الممكن أن يجتاح هذا الرنين حزام الكويكبات، ومثيرا بشكل حيوي أجسام هذه المنطقة وزيادة سرعتها بالنسبة لبعضها البعض.
خلال التاريخ المبكر للنظام الشمسي، المذنبات ذابت إلى حد ما، مما ادى إلى السماح للعناصر بداخلها بأن تتباين عن طريق الكتلة بشكل جزئي أو كامل. وأن بعض المذنبات القديمة قد خَضَعت لفترات بركانية متفجرة وشكلت محيطات من الصهارة، وبسبب الحجم الصغير نسبيا للمذنبات، فإن فترات الذوبان كانت قصيرة( مقارنة بالكواكب العملاقة) وتلاشت بشكل عام قبل حوال 4.5 مليار سنة مضت، خلال أول عشر مليون سنة من التكوين.
في اغسطس عام 2007 ، خلال دراسة لبلورات معدن الزركون التي وجدت داخل الحجر النيزكي الذي وجِد في القارة القطبية الجنوبية يعتقد انه نشأ من  4 فيستا، ونفس الشيء بالنسبة لباقي حزام الكويكبات، قد تشكلت بسرعة في غضون عشرة ملايين سنة من تاريخ النظام الشمسي
.

التطور

الكويكبات ليست عينات من النظام الشمسي البدائي، فقد مرت بتطور كبير منذ تشكلهم، وهذه التغيرات تتضمن: تفدئة داخلية خلال أول عشر ملايين سنة، ذوبان السطح أثر التصادمات، تجوية فضائية من الأشعاع، وقصف بواسطة النيازك الدقيقة. ويشير بعض العلماء على أن الكويكبات هي كواكب مصغرة الوحيدة المتبقية، والبعض الاخر يعتبرها كواكب مصغرة مستقلة 
.
يُعتقد أن حزام الكويكبات الحالي يحتوي على أجزاء صغيرة من حزام الكويكبات البدائي، وتشير الأبحاث الحاسوبية أن حزام الكويكبات الأصلي قد يملك الكتلة المكافئة للأرض. وذلك بسبب إضطرابات الجاذبية، معظم  المواد قُذفت من الحزام في غضون مليون سنة من التكوين، تاركةً خلفها أقل من 0.1% من الكتلة الأصلية. منذ التكوين، توزيع الحجوم في حزام الكويكبات بقيَ مستقر نسبياً، فلم يحدث اي تزايد أو نقصان في الأبعاد النموذجية لحزام الكويكبات الأساسي.
مقدار الرنين المداري مع كوكب المشتري حوالي 1:4، في دائرة نصف قطرها 2.06 وحدة فلكية، حيث يمكن اعتبارها الحدود الداخلية لحزام الكويكبات. الاضطرابات التي يسببها كوكب المشتري أدت إلى إرسال الأجسام إلى مدارات غير مستقرة، معظم الأجسام التي تشكلت داخل نصف قطر هذه الفجوة إما إجتاحت من قبل كوكب المريخ(الذي يملك نقطة أوج تبلغ 1.6 وحدة فلكية) أو تُقذف بسبب إضطرابات جاذبيته في الوقت المبكر لتاريخ النظام الشمسي. تقع عائلة هنغاريا بالقرب من الشمس في رنين قدره 1:4، ولكنها محمية من الأضطرابات بسبب ميلها العالي.
عندما تشكل حزام الكويكبات في البداية، كّونت درجات الحرارة التي تصل من مسافة 2.7 وحدة فلكية من الشمس خط يعرف ب"خط الثلوج" تحت درجة تجمد المياه، الكواكب المصغرة التي تكونت خلف هذا المسافة كانت قادرة على تجميع الثلوج. وفي عام 2006 أُعلن أن عدداً من المذنبات تم اكتشافها داخل حزام الكويكبات والتي تقع خلف خط الثلوج، قد تكون مصدراً لمياه المحيطات على الأرض، ووفقا لبعض النماذج، أن تغزية المياه خلال فترة تكوين الأرض لم تكن كافية لتشكيل المحيطات، مما يتطلب مصدر خارجي لتكوينهم مثل قصف من المذنبات التي تحتوي على الثلوج.

الصفات

على عكس الصور الشائعة، حزام الكويكبات في الغالب خالِ، حيث أن الكويكبات منتشرة في مساحة كبيرة،  لذا إن اردنا الذهاب إلى احدى الكويكبات سيكون غير محتمل الوصول اليه بدون توجيه دقيق. ومع ذلك، فإن مئات الآلاف من الكويكبات معروفة حاليا، ويصل العدد الأجمالي إلى ملايين الكويكبات أو أكثر، بالإعتماد على الحجم الأدنى للقطعة. هناك أكثر من 200 كويكب معروف بأن حجمها أكبر من 100 كيلومتر، وقد أظهر مسح للأشعة التحت الحمراء بأن من 0.7 - 1.7 مليون كويكب بقطر 1 كيلومتر. ويبلغ القدر الظاهري لمعظم الكويكبات حوالي 11-19 قدر ظاهري، وومع متوسط يبلغ حوالي 16 قدر ظاهري.
يقدر إجمالي كتلة حزام الكويكبات حوالي 2.8×10²¹ إلى 3.2×²¹10 كيلوغرام، والتي تشكل 4% من كتلة القمر. الكويكبات الأربعة الكبيرة : سيريس ، 2 بالاس ، 10 هيجيا ، 4 فيستا يشكلون نصف الكتلة الإجمالية للحزام، حيث أن ثلث الكتلة يشغلها سيريس وحده.

المكونات

يتكون حزام الكويكبات الحالي من ثلاث فئات من الكويكبات: كويكبات نوع (C) أو الكويكبات الكربونية ، كويكبات نوع (S) أو كويكبات السيليكات ، كويكبات نوع (M) أو الكويكبات المعدنية.
الكويكبات الكربونية ، وهي كويكبات غنية بالكربون ، وهي تسيطر على المناطق الخارجية لحزام الكويكبات. معاً يشكلون أكثر من 75% من الكويكبات المرئية.  وهم أكثر إحمرار من باقي الكويكبات ولديهم وضاءة منخفضة جدا. تركيبها السطحي مشابه لتركيب الاحجار النيزكية الكندريتية الكربونية. كيميائياً ، أطيافهم مشابهة للتكوين البدائي للنظام الشمسي المبكر، مع العناصر الأخف فقط و مواد متطايرة غير موجودة.
كويكبات نوع (s) وهي كويكبات غنية السيليكات وهي أكثر الكويكبات شيوعاً في المنطقة الدخلية للحزام، والتي تبعد حوالي 2.5 وحدة فلكية من الشمس. أطياف سطحها تكشف عن وجود سيليكات وبعض المعادن، لكن لا توجد مركبات كربونية. وهذا يدل على أن موادها قد تغيرت بشكل كبير من تكوينها البدائي، بسبب الذوبان والتشكل من جديد. تكون وضائتهم عالية نسبياً ويشكلون حوالي 17% من مجموع كويكبات الحزام.
كويكبات نوع (M) وهي كويكبات غنية بالمعادن، تشكل 10% من مجموع كويكبات الحزام، يكون طيفهم مشابه للحديد والنيكل. يعتقد أن بعضهم تكون من النوى الحديدية لبعض الأجسام السالفة التي تدمرت بسبب الأصطدامات. على أية حال، هناك بعض مركبات السيليكات التي يمكن أن تنتج مظهر مماثل، مثال على ذلك الكويكب الكبير 22 كاليوبي من النوع (M) لايبدو أن يتكون في المقام الأول من المعدن. داخل حزام الكويكبات ، توزيع عدد الكويكبات من النوع (M) يرتفع عند نصف المحور الرئيسي على بعد 2.7 وحدة فلكية. ليس من الواضح حتى الان ما إذا كانت جميع كويكبات نوع (M) مماثلة تركيبياً ، أو ما إذا كانت علامة للعديد من الأصناف التي لا تناسب بدقة فئتي S , C  الرئيسيتين.
هناك سر واحد في حزام الكويكبات، هو الكويكبات البازلتية أو الكويكبات نوع (V) النادرة.  تتكون هذه الكويكبات بشكل أساسي من الصخور البازلتية. وكنتيجة، أكثر من نصف الكويكبات تتكون إما من البازلت أو الأوليفين. تشير الملاحظات على أن 99% من المواد البازلتية مفقودة. حتى عام 2001،  ساد إعتقاد أن مُعظم الأجسام البازلتية المكتشفة داخل الحزام مصدرها هو الكويكب فيستا كونه الكويكب البازلتي الوحيد كبير الحجم (لذلك تم تسمية المجموعة طبقاً لاسمه وأطلق عليها كويكبات نوع -V-). استمر هذا الإعتقاد سائداً حتى اكتشاف الكويكب 1459 ماجنيا الذي أدى إلى اكتشاف تركيبة كيميائية مختلفة قليلاً عن تركيبة الكويكبات البازلتية الأخرى المكتشفة في ذلك الوقت، مما يشير إلى أنه لم يتكون في الأصل من الكويكب فيستا. تم تعزيز هذه الفرضية من خلال اكتشاف إضافي لإثنين من الكويكبات في المنطقة الخارجية للحزام هما 7472 Kumakiri و الكويكب  (10537) 1991 RY₁₆ مع تركيبة بازلتية مختلفة لايمكن أن تنشأ من فيستا،لذلك تخلى العلماء عن كون فيستا أساس الكويكبات البازلتية. وهذان الكويكبان الاخيران هما الكويكبات الوحيدة من نوع(V) التي تم اكتشافها في الحزام الخارجي حتى الآن.
تتناسب درجة حرارة حزام الكويكبات مع المسافة من الشمس. لجزيئات الغبار داخل الحزام، درجات حرارة تترواح من 200 كلفن(-73 درجة سيليزية) على مسافة 2.2 وحدة فلكية إلى 165 كلفن(-108 درجة سيليزية) على بعد 3.2 وحدة فلكية. وبسبب الدوران ، يمكن أن تختلف درجة حرارة سطح كويكب ما إختلافاً كبيرا حيث تتعرض الأطراف بالتناوب إلى الأشعاع الشمسي.

المدارات

معظم الكويكبات داخل حزام الكويكبات لديها إنحرافات مدارية أقل من 0.4، وميل أقل من 30°. يبلغ أقصى إنحراف لمدارات الكويكبات حوالي 0.07 وأقصى ميل حوالي 4°. على الرغم من أن الكويكب المثالي يملك مدار دائري يقع بمستوى مسار الشمس، فإن بعض مدارات الكويكبات قد تنحرف بشكل كبير أو تسافر خارج مستوى مسار الشمس.
أحياناً يستخدم مصطلح الحزام الرئيسي لوصف المنطقة الأساسية من الحزام، حيث تم العثور على أعظم كثافة للأجسام، تقع هذه المنطقة بين 
رنين قدره 4:1  و 2:1 في فجوة كيركوود على بعد 2.06 و 3.27 وحدة فلكية. وفي انحراف مداري أقل تقريباً من 0.33، وعلى طول ميل مداري قدره 20°. 
إعتباراً من عام 2006، ضمت هذه المنطقة الأساسية 93% من جميع الكواكب الصغيرة المكتشفة في النظام الشمسي. سجلت قاعدة بيانات مختبر الدفع النفاث أكثر من 670000 كويكب في الحزام الرئيسي( المنطقة الأساسية).

تصادمات

يؤدي العدد الكبير من الكويكبات في منطقة الحزام إلى الكثير من التصادمات فيما بينها، مما يجعلها بيئة نشطة، ويبلغ معدل التصادمات بين الأجرام التي يزيد قطرها على 10 كيلومترات: مرة كل عشرة ملايين عام، وهو معدل كبير بالمقياس الفلكي
ويؤدي التصادم عادة إلى تفتت الكويكب إلى أجزاء صغيرة عديدة، بعضها يصبح مجموعة كويكبات أخرى ويستمر في الدوران في المنطقة، وبعض الأجزاء الأخرى تتحول إلى نيازك تهبط إلى الكواكب الأخرى ومنها الأرض، أو شهب تحترق في المجال الجوي. وينتج عن التصادمات أيضا كميات كبيرة من التراب تستمر في الدوران في المنطقة.
في أحيان أخرى -عندما تكون سرعة الدوران بطيئة- يؤدي التصادم إلى التصاق كويكبين معا. وعلى مدى أربعة مليارات سنة هي عمر الحزام، تغيّر شكل الكويكبات التي تدور فيه تماما عما كان وقت تكونه بسبب هذه التصادمات.
يحتوي حزام الكويكبات على مجاميع من الغبار التي يصل نصف قطرها إلى مئات الميكرومتر. يتم إنتاج هذا الغبار ، من الإصطدامات التي تحدث بين الكويكبات، وتنتج أيضا عن قصف الكويكبات بالنيازك الناعمة. نظراً لتأثير ظاهرة بوينتنج - روبرتسون فإن ضغط الإشعاع الشمسي يعمل على نقصان سرعة جسيم الغبار ويجعله يتجه إلى الشمس ببطء.