Zoals maïskorrels die in een koekenpan knallen, kunnen kleine stofkorrels rondspringen op het oppervlak van asteroïden, volgens een nieuwe studie van natuurkundigen van CU Boulder.

Dat popcornachtige effect kan zelfs helpen om kleinere asteroïden op te ruimen, waardoor ze stof verliezen en er vanuit de ruimte ruw en ruig uitzien.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 11 juli in het tijdschrift Nature Astronomy . Hun bevindingen kunnen wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe asteroïden in de loop van de tijd van vorm veranderen - en hoe deze lichamen door de ruimte migreren, waardoor ze soms gevaarlijk dicht bij de aarde komen, zei Hsiang-Wen (Sean) Hsu, co-hoofdauteur van het onderzoek.

"Hoe fijner materiaal, of regoliet, deze asteroïden verliezen, hoe sneller ze migreren", zegt Hsu, een onderzoeksmedewerker bij het Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) aan CU Boulder.

Het onderzoek begon met een paar merkwaardige foto's.

In 2020 reisde een NASA-ruimtevaartuig genaamd OSIRIS-REx meer dan 1 miljard mijl om de asteroïde (191055) Bennu te ontmoeten, die ongeveer zo groot is als het Empire State Building. Maar toen het ruimtevaartuig arriveerde, vonden wetenschappers niet wat ze verwachtten:het oppervlak van de asteroïde zag eruit als ruw schuurpapier, niet glad en stoffig zoals onderzoekers hadden voorspeld. Er waren zelfs rotsblokken zo groot als huizen en vrachtwagens verspreid over de buitenkant.

Nu hebben Hsu en zijn collega's gebruik gemaakt van computersimulaties, of modellen, en laboratoriumexperimenten om die puzzel te onderzoeken. Hij zei dat krachten die verwant zijn aan statische elektriciteit de kleinste stofkorrels, sommige niet groter dan een enkele bacterie, van de asteroïde de ruimte in kunnen schoppen - en alleen grotere rotsen achterlaten.

Bennu is niet de enige, zegt co-auteur Mihály Horányi.

"We realiseren ons dat dezelfde fysica ook voorkomt op andere luchtloze lichamen zoals de maan en zelfs de ringen van Saturnus", zegt Horányi, een onderzoeker bij LASP en hoogleraar natuurkunde aan CU Boulder.

Bennu en Ryugu

Asteroïden zien er misschien uit alsof ze in de tijd zijn bevroren, maar deze lichamen evolueren gedurende hun hele leven.

Hsu legde uit dat asteroïden zoals Bennu constant ronddraaien, waardoor hun oppervlak wordt blootgesteld aan zonlicht en vervolgens weer aan schaduw en zonlicht. Die nooit eindigende cyclus van verwarming en afkoeling legt druk op de grootste rotsen aan de oppervlakte, totdat ze onvermijdelijk barsten.

"Het gebeurt elke dag, de hele tijd," zei Hsu. "Je eindigt met het eroderen van een groot stuk rots in kleinere stukken."

Dat is de reden waarom, voordat wetenschappers in Bennu aankwamen, velen verwachtten dat het bedekt zou zijn met vijvers met glad zand - een beetje zoals hoe de maan er vandaag uitziet. Rond dezelfde tijd in 2020 landde een Japanse ruimtemissie op een tweede kleine asteroïde genaamd Ryugu. Het team vond een vergelijkbaar ruw en ruig terrein.

Hsu en zijn collega's waren achterdochtig.

Sinds de jaren negentig gebruiken onderzoekers van LASP vacuümkamers in het laboratorium om de vreemde eigenschappen van stof in de ruimte te onderzoeken, waaronder een prestatie die ze 'elektrostatische lofting' noemen. Studie co-hoofdauteur Xu Wang legde uit dat als de zonnestralen kleine stofkorrels baden, ze negatieve ladingen beginnen op te pikken. Die ladingen zullen zich opbouwen totdat de deeltjes plotseling uit elkaar barsten, als twee magneten die elkaar afstoten.

In sommige gevallen kunnen die stofdeeltjes wegvliegen met snelheden van meer dan 20 mijl per uur (of meer dan 8 meter per seconde).

"Niemand had ooit eerder aan dit proces op het oppervlak van een asteroïde gedacht", zegt Wang, een onderzoeksmedewerker bij LASP.

Kleine asteroïde, grote asteroïde

Om dat te doen, voerden de onderzoekers, waaronder voormalige CU Boulder-studenten Anthony Carroll en Noah Hood, een reeks berekeningen uit om de fysica van regoliet op twee hypothetische asteroïden te onderzoeken. Ze volgden hoe stof zich zou kunnen vormen en huppelden vervolgens honderdduizenden jaren rond. Een van die nep-asteroïden was ongeveer een halve mijl breed (vergelijkbaar in grootte met Ryugu) en de tweede enkele kilometers breed (dichter in diameter bij grote asteroïden zoals Eros).

Die maat maakte het verschil. Volgens de schattingen van het team, toen stofkorrels op de grotere asteroïde sprongen, konden ze niet genoeg snelheid krijgen om los te komen van de zwaartekracht. Hetzelfde gold niet voor de kleinere, Ryugu-achtige asteroïde.

"De zwaartekracht op de kleinere asteroïde is zo zwak dat hij de ontsnapping niet kan tegenhouden", zei Hsu. "De fijnkorrelige regoliet zal verloren gaan."

Dat verlies zal op zijn beurt het oppervlak van de asteroïden blootstellen aan nog meer erosie, wat leidt tot een rotsrijk landschap zoals wetenschappers die op Ryugu en Bennu hebben gevonden. Binnen enkele miljoenen jaren was de kleinere asteroïde bijna volledig schoongeveegd van fijn stof. De Eros-achtige asteroïde bleef echter stoffig.

Hsu merkte op dat dit scrubeffect zou kunnen helpen om de banen van kleine asteroïden een duwtje in de rug te geven. Hij legde uit dat asteroïden migreren omdat de straling van de zon er langzaam op drukt. Op basis van eerder onderzoek door andere wetenschappers vermoedt hij dat asteroïden bedekt met keien sneller kunnen bewegen dan asteroïden met een stoffig uiterlijk.

Mogelijk krijgen hij en zijn collega's binnenkort meer bewijs om hun berekeningen te staven. Over minder dan 3 maanden zal een NASA-missie genaamd de Double Asteroid Redirection Test (DART) een paar kleinere asteroïden bezoeken - en Hsu zal kijken om te zien hoe stoffig ze zijn.

"We zullen nieuwe oppervlaktebeelden hebben om onze theorie te testen," zei hij. "Het is leuk voor ons, maar ook een beetje zenuwslopend." + Verder verkennen

NASA-ruimtevaartuig observeert asteroïde Bennu's rotsblok 'lichaamspantser'