Nej, det är inte universitetspussel nr 3; snarare är det ett spännande resultat från det senaste arbetet med de konstiga formerna och sammansättningen av små asteroider.
Bilder som skickas tillbaka från rymdsuppdragen tyder på att mindre asteroider inte är orörda stenbitar, utan att de istället täckas med spillror som sträcker sig i storlek från mätterstora stenblock till mjölliknande damm. Vissa asteroider verkar vara upp till 50% tomt utrymme, vilket tyder på att de kan vara samlingar av spillror utan fast kärna.
Men hur bildas och utvecklas dessa asteroider? Och om vi någonsin måste avleda en, för att undvika dinosauriernas öde, hur gör vi det utan att bryta upp det och göra faran mycket större?
Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), med lite hjälp från Daniel Scheeres, Michael Swift och kollegor, till undsättning.
Asteroider tenderar att snurra snabbt på sina axlar - och tyngdkraften vid ytan på mindre kroppar kan vara en tusendel eller till och med en miljondel av det på jorden. Som ett resultat kvar forskare undrar hur spillrorna fastnar på ytan. "De få bilder som vi har av asteroidytor är en utmaning att förstå med hjälp av traditionell geofysik," förklarade University of Colorado's Scheeres.
För att komma till botten i detta mysterium gjorde teamet - Daniel Scheeres, kollegor vid University of Colorado och Michael Swift vid University of Nottingham - en grundlig studie av de relevanta krafterna som är involverade i att binda spillror till en asteroid. Bildandet av små kroppar i rymden involverar tyngdkraft och sammanhållning - den senare är attraktionen mellan molekyler vid materialytan. Medan tyngdkraften är väl förstått, är de sammanhängande krafternas karaktär i arbetet i spillrorna och deras relativa styrkor mycket mindre kända.
Teamet antog att de sammanhängande krafterna mellan kornen liknar de som finns i ”sammanhängande pulver” - som inkluderar brödmjöl - eftersom sådana pulver liknar vad som har sett på asteroidytor. För att mäta betydelsen av dessa krafter, betraktade teamet deras styrka i förhållande till gravitationskrafter som finns på en liten asteroid där tyngdkraften vid ytan är ungefär en miljondel än på jorden. Teamet fann att gravitationen är en ineffektiv bindningskraft för stenar som observeras på mindre asteroider. Elektrostatisk attraktion var också försumbar, annat än där en del av asteroiden denna är upplyst av solen kommer i kontakt med en mörk del.
Snabbt bakåt till mitten av 1800-talet, en tid då molekylernas existens var kontroversiell och mellanmolekylära krafter ren science fiction (förutom naturligtvis att det inte fanns något sådant då). Van der Waals doktorsavhandling gav en kraftfull förklaring till övergången mellan gasformiga och flytande faser, i termer av svaga krafter mellan de beståndsdelande molekylerna, som han antog ha en ändlig storlek (mer än ett halvt sekel skulle passera innan dessa krafter förstås (kvantitativt, i termer av kvantmekanik och atomteori).
Van der Waals-krafter - svaga elektrostatiska attraktioner mellan angränsande atomer eller molekyler som uppstår till följd av fluktuationer i sina elektroner - verkar göra tricket för partiklar som är mindre än ungefär en meter stora. Storleken på van der Waals-kraften är proportionell mot kontaktytan på en partikel - till skillnad från tyngdkraften, som är proportionell mot massan (och därmed volymen) på partikeln. Som ett resultat ökar van der Waals relativa styrka jämfört med tyngdkraften när partikeln blir mindre.
Detta kan till exempel förklara de senaste observationerna från Scheeres och kollegor att små asteroider är täckta av fint damm - material som vissa forskare trodde skulle drivas bort av solstrålning. Forskningen kan också ha konsekvenser för hur asteroider svarar på "YORP-effekten" - ökningen av vinkelhastigheten hos små asteroider genom absorption av solstrålning. När kropparna snurrar snabbare tyder det senaste arbetet på att de skulle utvisa större stenar samtidigt som de behåller mindre. Om en sådan asteroide var en samling av spillror, kan resultatet bli ett aggregat av mindre partiklar som hålls samman av van der Waals-krafter.
Asteroidexpert Keith Holsapple från University of Washington är imponerad av att Scheeres team inte bara har uppskattat krafterna i spelet på en asteroid, det har också tittat på hur dessa varierar med asteroiden och partikelstorleken. "Detta är ett mycket viktigt papper som tar upp en nyckelfråga inom mekaniken i de små kropparna i solsystemet och partikelmekanik med låg vikt", sade han.
Scheeres konstaterade att testning av denna teori kräver ett rymduppdrag för att bestämma de mekaniska och hållfasthetsegenskaperna hos en asteroid yta. "Vi utvecklar ett sådant förslag nu," sade han.
Källa: Physics World. ”Skalningskrafter till asteroidytor: Sammanhållningens roll” är ett förtryck av Scheeres et al. (arXiv: 1002.2478), inlämnad för publicering i Icarus.
