Asteroïden als Bennu, Ryugu en Itokawa zien er misschien uit als enorme rotsblokken, maar schijn bedriegt. Veel kleine asteroïden bestaan uit een losse verzameling stof, stenen en keien, bij elkaar gehouden door hun eigen zwaartekracht en zwakke krachten tussen afzonderlijke korrels. Maar hoe sterk is zo’n kosmische puinhoop eigenlijk?
Een nieuwe studie laat zien dat die sterkte verrassend goed kan worden voorspeld aan de hand van twee eigenschappen: de grootte en de vorm van de korrels.
De vraag hoe zulke granulaire asteroïden bij elkaar blijven, houdt wetenschappers al meer dan tien jaar bezig. Simulaties liepen daarbij tegen een belangrijke beperking aan. Kleine korrels konden alleen als perfecte bolletjes worden nagebootst, terwijl echte korrels hoekig en onregelmatig zijn.
Daar kwam nog een praktisch probleem bij: alle kleine deeltjes in een complete asteroïde simuleren is simpelweg niet haalbaar. De inspiratie voor een oplossing kwam uit een alledaags verschijnsel. “We moesten uitzoeken welk effect kleine cohesieve deeltjes in een asteroïde konden hebben, maar het simuleren van alle benodigde deeltjes was (en is nog steeds) onmogelijk. Dus was de suggestie om wat inspiratie te halen uit de vloeistofbrug die water op aarde vormt tussen kleine zandkorrels”, vertelt hoofdonderzoeker Paul Sánchez van de University of Colorado Boulder.
Een asteroïde die zichzelf uit elkaar slingert
Dat kleine korrels een belangrijke rol kunnen spelen, blijkt onder meer uit de draaisnelheid van asteroïden. “Er is waargenomen dat kleine asteroïden (met een diameter van minder dan 150 meter) kunnen roteren met perioden korter dan 2,4 uur, terwijl dit voor grotere asteroïden een grens vormt. Deze grens is een fundamenteel gevolg van de eigen zwaartekracht van de asteroïden.”
Een puinasteroïde die snel genoeg draait, slingert zichzelf uiteindelijk uit elkaar. Als alleen zwaartekracht het object bijeenhoudt, is die grens onafhankelijk van de grootte. Grote asteroïden houden zich aan deze limiet. Kleinere exemplaren kunnen er echter onder duiken.
Dat komt doordat de eigen zwaartekracht snel zwakker wordt naarmate een object kleiner wordt, terwijl cohesieve krachten tussen korrels dat niet doen. Bij kleine asteroïden kan cohesie daardoor de dominante bindende kracht worden, bovenop de zwaartekracht.
Al in 2010 werd voorgesteld dat Vanderwaalskrachten (zwakke aantrekkende krachten tussen moleculen) tussen fijne korrels daarvoor voldoende sterkte konden leveren. Simulaties met bolvormige deeltjes ondersteunden dat idee in 2014: kleine korrels zouden als een soort zwak cement tussen grotere rotsblokken kunnen werken.
Een brug tussen twee rotsblokken
In het nieuwe onderzoek werd geen volledige asteroïde nagebouwd. In plaats daarvan simuleerde het team een kleine doorsnede. Cohesieve korrels werden tussen twee rotsblokken van elk één meter groot geplaatst, waardoor een ‘granulaire brug’ ontstond. Vervolgens werden de rotsblokken langzaam uit elkaar getrokken totdat de brug brak.
In totaal werden 78 simulaties uitgevoerd. Daarbij varieerden zowel de grootte als de vorm van de korrels. Sommige waren perfecte bollen, andere veelvlakken die waren uitgerekt of afgeplat. Er werden tien verschillende vormen gebruikt, van vrijwel rond tot langwerpig. De korrels waren tussen de twee en vijf centimeter groot. De vorm werd uitgedrukt in bolvormigheid. “Bolvormigheid is simpelweg een maat voor hoe dicht de vorm van een deeltje bij zijn bolvormige equivalent ligt”, aldus de onderzoeker.
De uitkomst was duidelijk: kleinere korrels maakten sterkere bruggen. Als korrels kleiner worden, passen er meer in dezelfde ruimte en ontstaan er meer contactpunten. Ook de vorm bleek belangrijk. Bolletjes raken elkaar op één punt, terwijl hoekige korrels elkaar langs een rand of zelfs een volledig vlak kunnen raken. “De vorm van deeltjes is belangrijk omdat niet-bolvormige deeltjes meerdere contacten kunnen hebben, ze kunnen ook heel dicht op elkaar worden gepakt, waardoor het aantal contacten toeneemt en de porositeit (de lege ruimte tussen deeltjes) afneemt.”
Leestip: Hoe is het mogelijk? Bouwstenen van leven ontdekt op ijzige asteroïde Bennu
Bennu is verbazingwekkend slap
Grootte en vorm kunnen elkaar bovendien compenseren. Een brug van grote, hoekige korrels kan ongeveer even sterk zijn als eentje van kleine, rondere korrels. Daardoor kan met informatie over de korrelgrootte óf bolvormigheid de treksterkte worden voorspeld. Toen het model werd toegepast op Bennu, met cohesiekrachten die dankzij de in 2023 teruggebrachte OSIRIS-REx-monsters konden worden gemeten, kwam de oppervlaktesterkte uit onder de één pascal. Dat sluit aan bij onafhankelijke schattingen.
Hoe weinig dat is, maakt Sánchez tastbaar met koffie. “Als je een kleine cilinder maakt van versgemalen koffie, is de sterkte ongeveer 50 Pa en kun je er nog steeds met één vinger een gat in prikken. Het oppervlak van Bennu is 50 keer zwakker dan dat.” De verklaring ligt in een tekort aan fijn stof. Zijn er te weinig kleine korrels om de ruimtes tussen grotere korrels op te vullen, dan ontstaan er te weinig contactpunten om de structuur stevig te maken.
Die kennis kan uiteindelijk van belang zijn voor planetaire verdediging. De trek- en cohesiesterkte zijn essentiële invoerwaarden voor modellen die berekenen wat er gebeurt wanneer een ruimtevaartuig op een asteroïde botst. Het team wil het raamwerk daarom uitbreiden naar een groter bereik van korrelgroottes en naar het binnenste van asteroïden, een gebied dat tot nu toe geen enkele ruimtemissie rechtstreeks heeft kunnen bekijken.
Wil je niets van Scientias missen? Voeg Scientias toe als voorkeursbron op Google dan zie je al onze verhalen!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
