Net zoals stof zich verzamelt in hoeken en langs boekenplanken in onze huizen, stof hoopt zich ook op in de ruimte. Maar als het stof neerdaalt in het zonnestelsel, het zit vaak in ringen. Verschillende stofringen omcirkelen de zon. De ringen volgen de banen van planeten, wiens zwaartekracht stof rond de zon op zijn plaats trekt, terwijl het voorbij drijft op weg naar het centrum van het zonnestelsel.

Het stof bestaat uit verpletterde overblijfselen van de vorming van het zonnestelsel, zo'n 4,6 miljard jaar geleden - puin van asteroïdebotsingen of kruimels van laaiende kometen. Stof verspreidt zich door het hele zonnestelsel, maar het verzamelt zich in korrelige ringen boven de banen van de aarde en Venus, ringen die met telescopen op aarde te zien zijn. Door dit stof te bestuderen - waar het van gemaakt is, waar het vandaan komt, en hoe het door de ruimte beweegt - wetenschappers zoeken naar aanwijzingen om de geboorte van planeten en de samenstelling van alles wat we in het zonnestelsel zien, te begrijpen.

Twee recente studies rapporteren nieuwe ontdekkingen van stofringen in het binnenste zonnestelsel. Eén studie maakt gebruik van NASA-gegevens om bewijs te schetsen voor een stofring rond de zon in de baan van Mercurius. Een tweede onderzoek van NASA identificeert de waarschijnlijke bron van de stofring in de baan van Venus:een groep nooit eerder ontdekte asteroïden die samen met de planeet in een baan om de aarde draaien.

"Het is niet elke dag dat je iets nieuws ontdekt in het binnenste zonnestelsel, " zei Marc Kuchner, een auteur van de Venus-studie en astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Dit is precies in onze buurt."

Nog een ring rond de zon

Guillermo Stenborg en Russell Howard, beide zonnewetenschappers van het Naval Research Laboratory in Washington, gelijkstroom, ging niet op zoek naar een stofring. "We vonden het bij toeval, "Stenborg zei, lachend. De wetenschappers vatten hun bevindingen samen in een paper gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift op 21 november, 2018.

Ze beschrijven bewijs van een fijne waas van kosmisch stof boven de baan van Mercurius, vormen een ring van ongeveer 9,3 miljoen mijl breed. Mercurius-3, 030 mijl breed, net groot genoeg voor de continentale Verenigde Staten om zich erover uit te strekken - waadt door dit enorme stofspoor terwijl het om de zon draait.

Ironisch, de twee wetenschappers stuitten op de stofring terwijl ze op zoek waren naar bewijs van een stofvrij gebied dicht bij de zon. Op enige afstand van de zon, volgens een decennia-oude voorspelling, de machtige hitte van de ster zou stof moeten verdampen, een heel stuk ruimte schoonvegen. Weten waar deze grens is, kan wetenschappers vertellen over de samenstelling van het stof zelf, en hint naar hoe planeten werden gevormd in het jonge zonnestelsel.

Tot dusver, geen bewijs gevonden van stofvrije ruimte, maar dat komt deels omdat het vanaf de aarde moeilijk te detecteren zou zijn. Hoe wetenschappers er vanaf de aarde ook uitzien, al het stof tussen ons en de zon zit in de weg, ze laten denken dat de ruimte in de buurt van de zon misschien stoffiger is dan hij in werkelijkheid is.

Stenborg en Howard dachten dat ze dit probleem konden omzeilen door een model te bouwen op basis van foto's van de interplanetaire ruimte van NASA's STEREO-satelliet - een afkorting van Solar and Terrestrial Relations Observatory.

uiteindelijk, de twee wilden hun nieuwe model testen ter voorbereiding op NASA's Parker Solar Probe, die momenteel in een zeer elliptische baan rond de zon vliegt, de komende zeven jaar steeds dichter en dichter bij de ster zwaaien. Ze wilden hun techniek toepassen op de beelden die Parker terugstuurt naar de aarde om te zien hoe stof in de buurt van de zon zich gedraagt.

Wetenschappers hebben nog nooit gewerkt met gegevens die in dit onontgonnen gebied zijn verzameld, zo dicht bij de zon. Modellen zoals die van Stenborg en Howard bieden een cruciale context voor het begrijpen van de waarnemingen van Parker Solar Probe, evenals een hint naar wat voor soort ruimteomgeving het ruimtevaartuig zich zal bevinden - roet of sprankelend schoon.

Twee soorten licht verschijnen in STEREO-afbeeldingen:licht van de brandende buitenste atmosfeer van de zon - de corona genoemd - en licht dat wordt gereflecteerd door al het stof dat door de ruimte zweeft. Het zonlicht weerkaatste door dit stof, die langzaam om de zon draait, is ongeveer 100 keer helderder dan coronaal licht.

"We zijn niet echt stofmensen, " zei Howard, die ook de hoofdwetenschapper is voor de camera's op STEREO en Parker Solar Probe die foto's maken van de corona. "Het stof dicht bij de zon komt gewoon naar voren in onze waarnemingen, en in het algemeen, we hebben het weggegooid." Zonnewetenschappers zoals Howard - die zonneactiviteit bestuderen voor doeleinden zoals het voorspellen van naderend ruimteweer, inclusief gigantische explosies van zonnemateriaal die de zon soms onze kant op kan sturen - hebben jarenlang technieken ontwikkeld om het effect van dit stof te verwijderen. Pas na het verwijderen van lichte vervuiling uit stof kunnen ze duidelijk zien wat de corona aan het doen is.

De twee wetenschappers bouwden hun model als een hulpmiddel voor anderen om het vervelende stof in STEREO- en uiteindelijk Parker Solar Probe-beelden te verwijderen, maar de voorspelling van een stofvrije ruimte bleef in hun achterhoofd hangen. Als ze een manier konden bedenken om de twee soorten licht te scheiden en de stofglans te isoleren, ze konden erachter komen hoeveel stof er echt was. Toen we ontdekten dat al het licht in een afbeelding alleen van de corona kwam, bijvoorbeeld, zou erop kunnen wijzen dat ze eindelijk een stofvrije ruimte hadden gevonden.

Mercurius' stofring was een gelukkige vondst, een zij-ontdekking die Stenborg en Howard deden terwijl ze aan hun model werkten. Toen ze hun nieuwe techniek op de STEREO-beelden gebruikten, ze zagen een patroon van verbeterde helderheid langs de baan van Mercurius - meer stof, dat wil zeggen - in het licht dat ze anders van plan waren weg te gooien.

"Het stond niet op zichzelf, ' zei Howard. 'Overal rond de zon, ongeacht de positie van het ruimtevaartuig, we konden dezelfde vijf procent toename in stofhelderheid zien, of dichtheid. Dat zei dat er iets was, en het is iets dat zich rondom de zon uitstrekt."

Wetenschappers hebben nooit overwogen dat er een ring zou kunnen bestaan ​​langs de baan van Mercurius, wat misschien de reden is waarom het tot nu toe onopgemerkt is gebleven, zei Stenborg. "Mensen dachten dat Mercurius, in tegenstelling tot de aarde of Venus, is te klein en te dicht bij de zon om een ​​stofring vast te leggen, "zei hij. "Ze verwachtten dat de zonnewind en de magnetische krachten van de zon het overtollige stof in de baan van Mercurius zouden wegblazen."

Met een onverwachte ontdekking en gevoelig nieuw gereedschap onder hun riem, de onderzoekers zijn nog steeds geïnteresseerd in de stofvrije zone. Terwijl Parker Solar Probe zijn verkenning van de corona voortzet, hun model kan anderen helpen andere stofkonijntjes te onthullen die op de loer liggen in de buurt van de zon.

Asteroïden verbergen zich in de baan van Venus

Dit is niet de eerste keer dat wetenschappers een stofring in het binnenste zonnestelsel hebben gevonden. Vijfentwintig jaar geleden, wetenschappers ontdekten dat de aarde om de zon draait binnen een gigantische ring van stof. Anderen ontdekten een soortgelijke ring in de buurt van de baan van Venus, voor het eerst met behulp van archiefgegevens van de Duits-Amerikaanse Helios-ruimtesondes in 2007, en vervolgens bevestigen in 2013, met STEREO-gegevens.

Vanaf dat moment, wetenschappers hebben vastgesteld dat de stofring in de baan van de aarde grotendeels afkomstig is van de asteroïdengordel, de uitgestrekte, donutvormig gebied tussen Mars en Jupiter waar de meeste asteroïden van het zonnestelsel leven. Deze rotsachtige asteroïden botsen constant tegen elkaar, verstrooiend stof dat dieper in de zwaartekracht van de zon drijft, tenzij de zwaartekracht van de aarde het stof opzij trekt, in de baan van onze planeet.

Aanvankelijk, het leek waarschijnlijk dat de stofring van Venus zich vormde zoals die van de aarde, van stof dat elders in het zonnestelsel wordt geproduceerd. Maar toen Goddard-astrofysicus Petr Pokorny een model maakte van stof dat vanuit de asteroïdengordel naar de zon dwarrelt, zijn simulaties produceerden een ring die overeenkwam met waarnemingen van de ring van de aarde, maar niet die van Venus.

Door deze discrepantie vroeg hij zich af of niet de asteroïdengordel, waar komt anders het stof in de baan van Venus vandaan? Na een reeks simulaties, Pokorny en zijn onderzoekspartner Marc Kuchner veronderstelden dat het afkomstig is van een groep nooit eerder ontdekte asteroïden die naast Venus om de zon draaien. Ze publiceerden hun werk in De astrofysische journaalbrieven op 12 maart, 2019.

"Ik denk dat het meest opwindende aan dit resultaat is dat het een nieuwe populatie asteroïden suggereert die waarschijnlijk aanwijzingen bevatten over hoe het zonnestelsel is gevormd, " zei Kuchner. Als Pokorny en Kuchner ze kunnen observeren, deze familie van asteroïden zou licht kunnen werpen op de vroege geschiedenis van de aarde en Venus. Met de juiste tools bekeken, de asteroïden zouden ook aanwijzingen kunnen geven voor de chemische diversiteit van het zonnestelsel.

Omdat het verspreid is over een grotere baan, De stofring van Venus is veel groter dan de nieuw ontdekte ring bij Mercurius. Ongeveer 16 miljoen mijl van boven naar beneden en 6 miljoen mijl breed, de ring is bezaaid met stof waarvan de grootste korrels ongeveer zo groot zijn als die in grof schuurpapier. Het is ongeveer 10 procent dichter met stof dan de omringende ruimte. Nog altijd, het is diffuus - pak al het stof in de ring bij elkaar, en alles wat je zou krijgen is een asteroïde van twee mijl in doorsnee.

Met behulp van een tiental verschillende modelleringstools om te simuleren hoe stof door het zonnestelsel beweegt, Pokorny modelleerde alle stofbronnen die hij kon bedenken, op zoek naar een gesimuleerde Venus-ring die overeenkwam met de waarnemingen. De lijst met alle bronnen die hij heeft geprobeerd, klinkt als een appèl van alle rotsachtige objecten in het zonnestelsel:asteroïden in de hoofdgordel, Oortwolk kometen, kometen van het Halley-type, Jupiter-familie kometen, recente botsingen in de asteroïdengordel.

"Maar geen van hen werkte, " zei Kuchner. "Dus, we begonnen met het maken van onze eigen bronnen van stof."

Misschien, de twee wetenschappers dachten, het stof kwam van asteroïden die veel dichter bij Venus stonden dan de asteroïdengordel. Er zou een groep asteroïden kunnen zijn die samen met Venus in een baan rond de zon draait - wat betekent dat ze de baan van Venus delen, maar blijf ver weg van de planeet, vaak aan de andere kant van de zon. Pokorny en Kuchner redeneerden dat een groep asteroïden in de baan van Venus tot nu toe onopgemerkt had kunnen blijven, omdat het moeilijk is om aardgebonden telescopen in die richting te richten. zo dicht bij de zon, zonder lichtinterferentie van de zon.

Samen in een baan om de aarde draaiende asteroïden zijn een voorbeeld van wat een resonantie wordt genoemd, een baanpatroon dat verschillende banen aan elkaar vergrendelt, afhankelijk van hoe hun zwaartekrachtsinvloeden elkaar ontmoeten. Pokorny en Kuchner hebben veel potentiële resonanties gemodelleerd:asteroïden die twee keer om de zon draaien voor elke drie banen van Venus, bijvoorbeeld, of negen keer voor Venus' tien, en één voor één. Van alle mogelijkheden, één groep alleen produceerde een realistische simulatie van de Venus-stofring:een pakket asteroïden dat de baan van Venus inneemt, één voor één de reizen van Venus rond de zon matchen.

Maar de wetenschappers konden het niet zomaar een dag noemen nadat ze een hypothetische oplossing hadden gevonden die werkte. "We dachten dat we deze populatie asteroïden hadden ontdekt, maar moest het dan bewijzen en laten zien dat het werkt, " zei Pokorny. "We werden opgewonden, maar dan realiseer je je 'Oh, er is zoveel werk te doen.'"

Ze moesten aantonen dat het bestaan ​​van de asteroïden in het zonnestelsel logisch is. Het zou onwaarschijnlijk zijn, zij realiseerden zich, dat asteroïden in deze speciale, cirkelvormige banen in de buurt van Venus arriveerden daar van ergens anders, zoals de asteroïdengordel. Hun hypothese zou logischer zijn als de asteroïden er al waren geweest sinds het allereerste begin van het zonnestelsel.

De wetenschappers bouwden een ander model, deze keer beginnend met een menigte van 10, 000 asteroïden naast Venus. Ze lieten de simulatie vooruitspoelen door 4,5 miljard jaar geschiedenis van het zonnestelsel, waarin alle zwaartekrachtseffecten van elk van de planeten zijn verwerkt. Toen het model het heden bereikte, ongeveer 800 van hun test-asteroïden overleefden de tand des tijds.

Pokorny beschouwt dit als een optimistische overlevingskans. Het geeft aan dat asteroïden zich kunnen hebben gevormd in de buurt van de baan van Venus in de chaos van het vroege zonnestelsel, en sommigen zouden daar vandaag kunnen blijven, het voeden van de stofring in de buurt.

De volgende stap is eigenlijk het vastpinnen en observeren van de ongrijpbare asteroïden. "Als er iets is, we zouden het moeten kunnen vinden, " zei Pokorny. Hun bestaan ​​kan worden geverifieerd met ruimtetelescopen zoals Hubble, of misschien interplanetaire ruimte-imagers vergelijkbaar met STEREO's. Vervolgens, de wetenschappers zullen meer vragen moeten beantwoorden:hoeveel van hen zijn er, en hoe groot zijn ze? Zijn ze voortdurend stof aan het vergieten, of was er maar één break-up event?

Stofringen rond andere sterren

De stofringen die Mercurius en Venus herder slechts een paar planeten verwijderd zijn, maar wetenschappers hebben veel andere stofringen gezien in verre sterrenstelsels. Grote stofringen zijn gemakkelijker te herkennen dan exoplaneten, en kan worden gebruikt om het bestaan ​​van anders verborgen planeten af ​​te leiden, en zelfs hun orbitale eigenschappen.

Maar het interpreteren van extrasolaire stofringen is niet eenvoudig. "Om de stofringen rond andere sterren te modelleren en nauwkeurig af te lezen, we moeten eerst de fysica van het stof in onze eigen achtertuin begrijpen, " zei Kuchner. Door naburige stofringen bij Mercurius te bestuderen, Venus en aarde, waar stof de blijvende effecten van de zwaartekracht in het zonnestelsel volgt, wetenschappers kunnen technieken ontwikkelen om tussen de stofringen van dichtbij en veraf te lezen.