Hvad forskerne fandt efter at have sigtet gennem støv i solsystemet

Ligesom støv samler sig i hjørner og langs reoler i vores hjem, støv hober sig også op i rummet. Men når støvet sætter sig i solsystemet, det er ofte i ringe. Adskillige støvringe kredser om Solen. Ringene sporer planeternes kredsløb, hvis tyngdekraft trækker støv på plads omkring Solen, da den driver forbi på vej mod midten af ​​solsystemet.

Støvet består af knuste rester fra dannelsen af ​​solsystemet, for omkring 4,6 milliarder år siden - murbrokker fra asteroidekollisioner eller krummer fra flammende kometer. Støv spredes i hele solsystemet, men det samler sig ved kornede ringe, der ligger over Jordens og Venus' baner, ringe, der kan ses med teleskoper på Jorden. Ved at studere dette støv - hvad det er lavet af, hvor det kommer fra, og hvordan det bevæger sig gennem rummet – videnskabsmænd søger spor til at forstå planeternes fødsel og sammensætningen af ​​alt det, vi ser i solsystemet.

To nyere undersøgelser rapporterer om nye opdagelser af støvringe i det indre solsystem. En undersøgelse bruger NASA-data til at skitsere beviser for en støvring omkring Solen i Merkurs kredsløb. En anden undersøgelse fra NASA identificerer den sandsynlige kilde til støvringen ved Venus' kredsløb:en gruppe aldrig før opdagede asteroider, der kredser sammen med planeten.

"Det er ikke hver dag, man opdager noget nyt i det indre solsystem, " sagde Marc Kuchner, en forfatter om Venus-studiet og astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det her er lige i vores nabolag."

Endnu en ring om solen

Guillermo Stenborg og Russell Howard, begge solforskere ved Naval Research Laboratory i Washington, D.C., satte sig ikke for at finde en støvring. "Vi fandt det ved et tilfælde, " sagde Stenborg, griner. Forskerne opsummerede deres resultater i et papir offentliggjort i The Astrophysical Journal den 21. nov. 2018.

De beskriver tegn på en fin dis af kosmisk støv over Merkurs bane, danner en ring omkring 9,3 millioner miles bred. Kviksølv-3, 030 miles bred, lige stor nok til, at det kontinentale USA kan strække sig over - vader gennem denne enorme støvsti, mens den kredser om Solen.

Ironisk, de to videnskabsmænd faldt over støvringen, mens de søgte efter beviser for et støvfrit område tæt på Solen. I nogen afstand fra solen, ifølge en årtier gammel forudsigelse, stjernens mægtige varme skulle fordampe støv, at feje rent et helt rum. At vide, hvor denne grænse går, kan fortælle videnskabsmænd om sammensætningen af ​​selve støvet, og antyde, hvordan planeter blev dannet i det unge solsystem.

Indtil nu, der er ikke fundet beviser for støvfri plads, men det er til dels fordi det ville være svært at opdage fra Jorden. Uanset hvordan videnskabsmænd ser ud fra Jorden, alt støvet mellem os og Solen er i vejen, at narre dem til at tro, at rummet i nærheden af ​​Solen måske er mere støvet, end det i virkeligheden er.

Stenborg og Howard regnede med, at de kunne løse dette problem ved at bygge en model baseret på billeder af interplanetarisk rum fra NASAs STEREO-satellit - en forkortelse for Solar and Terrestrial Relations Observatory.

Ultimativt, de to ønskede at teste deres nye model som forberedelse til NASAs Parker Solar Probe, som i øjeblikket flyver en meget elliptisk bane rundt om Solen, svinger tættere og tættere på stjernen i løbet af de næste syv år. De ønskede at anvende deres teknik på de billeder, Parker vil sende tilbage til Jorden og se, hvordan støv nær Solen opfører sig.

Forskere har aldrig arbejdet med data indsamlet i dette uudforskede territorium, så tæt på Solen. Modeller som Stenborg og Howards giver en afgørende kontekst for at forstå Parker Solar Probes observationer, samt antydning af, hvilken slags rummiljø rumfartøjet vil befinde sig i - sodet eller skinnende rent.

To slags lys dukker op i STEREO-billeder:lys fra Solens flammende ydre atmosfære - kaldet koronaen - og lys reflekteret fra alt det støv, der flyder gennem rummet. Sollyset reflekterede dette støv, som langsomt kredser om Solen, er omkring 100 gange lysere end koronalt lys.

"Vi er ikke rigtig støvmennesker, " sagde Howard, som også er ledende videnskabsmand for kameraerne på STEREO og Parker Solar Probe, der tager billeder af coronaen. "Støvet tæt på Solen dukker bare op i vores observationer, og generelt, vi har smidt det væk." Solforskere som Howard - der studerer solaktivitet til formål som at forudsige forestående rumvejr, inklusive gigantiske eksplosioner af solmateriale, som Solen nogle gange kan sende vores vej - har brugt år på at udvikle teknikker til at fjerne virkningen af ​​dette støv. Først efter at have fjernet lys forurening fra støv, kan de tydeligt se, hvad coronaen gør.

De to videnskabsmænd byggede deres model som et værktøj for andre til at slippe af med det irriterende støv i STEREO- og til sidst Parker Solar Probe-billeder, men forudsigelsen om støvfrit rum blev hængende i deres baghoved. Hvis de kunne udtænke en måde at adskille de to slags lys og isolere støvskinnet, de kunne regne ud, hvor meget støv der egentlig var der. At finde ud af, at alt lyset i et billede kom fra koronaen alene, for eksempel, kunne indikere, at de endelig havde fundet støvfri plads.

Mercurys støvring var et heldigt fund, en sideopdagelse Stenborg og Howard gjorde, mens de arbejdede på deres model. Da de brugte deres nye teknik på STEREO-billederne, de bemærkede et mønster af forbedret lysstyrke langs Merkurs bane – mere støv, det vil sige - i det lys, de ellers havde planlagt at kassere.

"Det var ikke en isoleret ting, " sagde Howard. "Helt rundt om solen, uanset rumfartøjets position, vi kunne se den samme fem procents stigning i støvets lysstyrke, eller tæthed. Det sagde noget var der, og det er noget, der strækker sig hele vejen rundt om Solen."

Forskere har aldrig overvejet, at en ring kunne eksistere langs Merkurs bane, Det er måske derfor, det er gået uopdaget indtil nu, sagde Stenborg. "Folk troede, at Merkur, i modsætning til Jorden eller Venus, er for lille og for tæt på Solen til at fange en støvring, " sagde han. "De forventede, at solvinden og magnetiske kræfter fra Solen ville blæse overskydende støv i Merkurs bane væk."

Med en uventet opdagelse og følsomt nyt værktøj under bæltet, forskerne er stadig interesserede i den støvfri zone. Mens Parker Solar Probe fortsætter sin udforskning af koronaen, deres model kan hjælpe andre med at afsløre eventuelle andre støvkaniner, der lurer i nærheden af ​​Solen.

Asteroider gemmer sig i Venus' bane

Det er ikke første gang, at forskere har fundet en støvring i det indre solsystem. For 25 år siden, videnskabsmænd opdagede, at Jorden kredser om Solen i en gigantisk ring af støv. Andre afslørede en lignende ring nær Venus' bane, første gang brugte arkivdata fra de tysk-amerikanske Helios-rumsonder i 2007, og bekræftede det i 2013, med STEREO-data.

Siden da, videnskabsmænd har fastslået, at støvringen i Jordens kredsløb hovedsageligt kommer fra asteroidebæltet, det store, doughnut-formet område mellem Mars og Jupiter, hvor de fleste af solsystemets asteroider lever. Disse stenede asteroider styrter konstant mod hinanden, støv, der driver dybere ind i Solens tyngdekraft, medmindre Jordens tyngdekraft trækker støvet til side, ind i vores planets kredsløb.

I starten det virkede sandsynligt, at Venus' støvring dannede sig som Jordens, fra støv produceret andre steder i solsystemet. Men da Goddard-astrofysikeren Petr Pokorny modellerede støv, der spirerede mod Solen fra asteroidebæltet, hans simuleringer producerede en ring, der matchede observationer af Jordens ring - men ikke Venus'.

Denne uoverensstemmelse fik ham til at spekulere på, om ikke asteroidebæltet, hvor kommer støvet i Venus' kredsløb ellers fra? Efter en række simuleringer, Pokorny og hans forskningspartner Marc Kuchner antog, at det kommer fra en gruppe aldrig før opdagede asteroider, der kredser om Solen sammen med Venus. De udgav deres arbejde i The Astrophysical Journal Letters den 12. marts, 2019.

"Jeg synes, det mest spændende ved dette resultat er, at det antyder en ny population af asteroider, der sandsynligvis har spor til, hvordan solsystemet blev dannet, " sagde Kuchner. Hvis Pokorny og Kuchner kan observere dem, denne familie af asteroider kunne kaste lys over Jorden og Venus' tidlige historier. Set med de rigtige værktøjer, asteroiderne kunne også låse op for spor til solsystemets kemiske mangfoldighed.

Fordi det er spredt over en større bane, Venus' støvring er meget større end den nyligt opdagede ring hos Merkur. Omkring 16 millioner miles fra top til bund og 6 millioner miles bred, ringen er fyldt med støv, hvis største korn er nogenlunde på størrelse med dem i groft sandpapir. Det er omkring 10 procent tættere med støv end det omgivende rum. Stadig, det er diffust - pak alt støvet i ringen sammen, og alt du får er en asteroide to miles på tværs.

Ved at bruge et dusin forskellige modelleringsværktøjer til at simulere, hvordan støv bevæger sig rundt i solsystemet, Pokorny modellerede alle de støvkilder, han kunne komme i tanke om, leder efter en simuleret Venus-ring, der matchede observationerne. Listen over alle de kilder, han prøvede, lyder som et navneopråb af alle de stenede objekter i solsystemet:Main Belt asteroids, Oort Cloud kometer, Halley-type kometer, kometer fra Jupiter-familien, nylige kollisioner i asteroidebæltet.

"Men ingen af ​​dem virkede, " sagde Kuchner. "Så, vi begyndte at lave vores egne støvkilder."

Måske, de to videnskabsmænd tænkte, støvet kom fra asteroider meget tættere på Venus end asteroidebæltet. Der kunne være en gruppe asteroider, der kredser sammen med Venus om Solen - hvilket betyder, at de deler Venus' kredsløb, men hold dig langt væk fra planeten, ofte på den anden side af Solen. Pokorny og Kuchner begrundede, at en gruppe asteroider i Venus' kredsløb kunne være gået uopdaget indtil nu, fordi det er svært at pege jordbundne teleskoper i den retning. så tæt på solen, uden lysinterferens fra Solen.

Samkredsende asteroider er et eksempel på det, der kaldes en resonans, et kredsløbsmønster, der låser forskellige baner sammen, afhængig af hvordan deres gravitationspåvirkninger mødes. Pokorny og Kuchner modellerede mange potentielle resonanser:asteroider, der kredser om Solen to gange for hver tredje af Venus' baner, for eksempel, eller ni gange for Venus' ti, og en for en. Af alle muligheder, en gruppe alene producerede en realistisk simulering af Venus-støvringen:en pakke asteroider, der optager Venus' bane, matchende Venus' ture rundt om Solen én for én.

Men forskerne kunne ikke bare kalde det en dag efter at have fundet en hypotetisk løsning, der virkede. "Vi troede, vi havde opdaget denne population af asteroider, men så skulle bevise det og vise det virker, " sagde Pokorny. "Vi blev spændte, men så indser du, 'Åh, der er så meget arbejde at gøre.'"

De skulle vise, at selve eksistensen af ​​asteroiderne giver mening i solsystemet. Det ville være usandsynligt, de indså, at asteroider i disse specielle, cirkulære baner nær Venus ankom der fra et andet sted som asteroidebæltet. Deres hypotese ville give mere mening, hvis asteroiderne havde været der lige fra begyndelsen af ​​solsystemet.

Forskerne byggede en anden model, denne gang starter med en skare på 10, 000 asteroider ved siden af ​​Venus. De lod simuleringen spole frem gennem 4,5 milliarder års solsystemhistorie, inkorporerer alle gravitationseffekter fra hver af planeterne. Da modellen nåede i dag, omkring 800 af deres testasteroider overlevede tidens tand.

Pokorny betragter dette som en optimistisk overlevelsesrate. Det indikerer, at asteroider kunne have dannet sig nær Venus' kredsløb i kaoset i det tidlige solsystem, og nogle kunne blive der i dag, fodring af støvringen i nærheden.

Det næste trin er faktisk at fastholde og observere de undvigende asteroider. "Hvis der er noget der, vi burde kunne finde det, " sagde Pokorny. Deres eksistens kunne verificeres med rumbaserede teleskoper som Hubble, eller måske interplanetariske rumbilleder, der ligner STEREO'er. Derefter, forskerne vil have flere spørgsmål at besvare:Hvor mange af dem er der, og hvor store er de? Udgyder de konstant støv, eller var der kun én break-up begivenhed?

Støvringe omkring andre stjerner

Støvringene, som Merkur og Venus hyrde, er kun en planet eller to væk, men videnskabsmænd har set mange andre støvringe i fjerne stjernesystemer. Store støvringe kan være nemmere at få øje på end exoplaneter, og kunne bruges til at udlede eksistensen af ​​ellers skjulte planeter, og endda deres orbitale egenskaber.

Men at fortolke ekstrasolære støvringe er ikke ligetil. "For at modellere og nøjagtigt aflæse støvringene omkring andre stjerner, vi skal først forstå fysikken i støvet i vores egen baghave, " sagde Kuchner. Ved at studere nabostøvringe ved Merkur, Venus og Jorden, hvor støv sporer de vedvarende virkninger af tyngdekraften i solsystemet, forskere kan udvikle teknikker til at læse mellem støvringene både nær og fjern.