Mengapakah Terdapat Jurang dalam Jalur Asteroid?

Di antara orbit Marikh dan Musytari terdapat kawasan yang dikenali sebagai jalur asteroid utama, yang mengandungi banyak jasad kecil yang mengelilingi Matahari. Namun, asteroid tidak tersebar secara seragam dari segi saiz orbitnya. Apabila ahli astronomi menyusun asteroid berdasarkan ukuran orbit masing-masing, mereka menemukan beberapa julat yang mempunyai jauh lebih sedikit asteroid berbanding julat bersebelahan.

Kekurangan ini dikenali sebagai jurang Kirkwood. Ia memberikan petunjuk tentang bagaimana tarikan graviti sebuah planet besar boleh mempengaruhi pergerakan banyak jasad kecil.

Jurang yang ditemukan melalui pengukuran orbit

Setiap asteroid mempunyai orbit tersendiri. Ada yang bergerak dalam orbit hampir bulat, manakala yang lain mengikuti orbit lebih lonjong. Salah satu ukuran penting bagi orbit elips ialah paksi semimajor, yang turut dikenali sebagai paksi separa utama, iaitu separuh panjang paksi terpanjang elips tersebut dan digunakan untuk menerangkan saiz orbit. Apabila bilangan asteroid diplotkan mengikut paksi semimajor, taburannya tidak membentuk graf yang sekata, malah terdapat beberapa bahagian graf yang menunjukkan penurunan ketara dalam bilangan asteroid.

Antara jurang utama ialah kawasan berhampiran 2.50, 2.82, 2.96 dan 3.28 unit astronomi (AU) dari Matahari, berdasarkan paksi semimajor orbit. Satu AU bersamaan kira-kira 150 juta kilometer, iaitu hampir sama dengan jarak purata Bumi dari Matahari. Jurang tersebut bukan kawasan kosong berbentuk lorong yang boleh dilihat secara langsung di angkasa, kerana ia merujuk kepada kekurangan asteroid yang mempunyai saiz orbit tertentu.

Apakah resonans orbit?

Untuk memahami jurang Kirkwood, kita perlu melihat hubungan antara tempoh peredaran asteroid dengan tempoh peredaran Musytari. Musytari mengambil masa kira-kira 11.86 tahun Bumi untuk melengkapkan satu peredaran mengelilingi Matahari, dan sesetengah asteroid mempunyai tempoh peredaran yang membentuk nisbah nombor bulat ringkas dengan tempoh tersebut. Contohnya, asteroid yang berada dalam resonans 3:1 melengkapkan kira-kira tiga peredaran mengelilingi Matahari bagi setiap satu peredaran Musytari, dan keadaan ini berlaku berhampiran paksi semimajor 2.50 AU.

Oleh sebab kedua-dua jasad mempunyai tempoh peredaran yang berkaitan, susunan relatifnya boleh berulang secara teratur. Tarikan graviti Musytari terhadap asteroid tidak hanya berlaku sekali, kerana gangguan tersebut berulang sepanjang pergerakan orbit kedua-duanya. Dalam keadaan tertentu, gangguan yang berulang boleh menghasilkan perubahan orbit yang semakin besar. Keadaan inilah yang berkaitan dengan resonans gerakan purata, iaitu sejenis resonans orbit yang melibatkan hubungan antara tempoh peredaran dua jasad.

Bagaimanakah asteroid meninggalkan kawasan resonans?

Tarikan graviti Musytari tidak semestinya menolak asteroid keluar daripada jalur asteroid secara langsung. Sebaliknya, gangguan graviti boleh mengubah beberapa sifat orbit asteroid, antaranya keeksentrikan, iaitu ukuran sejauh mana sesuatu orbit menyimpang daripada bentuk bulatan. Orbit yang mempunyai keeksentrikan lebih tinggi berbentuk lebih lonjong. Dalam kawasan resonans tertentu, perubahan orbit boleh menjadi tidak teratur dan sukar diramalkan untuk tempoh yang sangat panjang.

Keeksentrikan asteroid mungkin meningkat sehingga orbitnya menghampiri atau memotong orbit planet lain, seperti Marikh. Jika asteroid kemudian mengalami pertemuan rapat dengan sebuah planet, tarikan graviti planet itu boleh mengubah orbitnya dengan lebih besar, lalu asteroid tersebut mungkin akhirnya meninggalkan kawasan asalnya. Apabila proses seperti ini berlaku kepada banyak asteroid sepanjang tempoh yang panjang, bilangan asteroid yang kekal dalam julat orbit tertentu menjadi semakin sedikit.

Kajian simulasi oleh Jack Wisdom pada 1982 dan 1983 menunjukkan bagaimana orbit asteroid berhampiran resonans 3:1 boleh mengalami perubahan besar pada keeksentrikannya. Hasil tersebut membantu menjelaskan pembentukan salah satu jurang Kirkwood yang utama.

Mengapakah tidak semua resonans menghasilkan jurang?

Resonans orbit tidak semestinya menyebabkan sesuatu kawasan kehilangan asteroid. Dalam sesetengah keadaan, resonans boleh menghasilkan susunan orbit yang stabil. Contohnya, kumpulan asteroid Hilda berada dalam resonans 3:2 dengan Musytari, dan tempoh peredaran asteroid tersebut mempunyai hubungan tertentu dengan tempoh peredaran Musytari yang membolehkan banyak asteroid kekal dalam konfigurasi resonans untuk tempoh yang panjang. Asteroid Trojan Musytari pula berada dalam resonans 1:1, dengan tempoh peredaran yang hampir sama dengan Musytari.

Kestabilan sesuatu resonans bergantung pada keadaan orbit dan cara gangguan graviti bertindak. Oleh itu, kita tidak boleh membuat kesimpulan bahawa semua nisbah tempoh peredaran yang ringkas akan menghasilkan jurang. Malah, jurang Kirkwood sendiri tidak semestinya kosong sepenuhnya, kerana sesetengah asteroid boleh berada dalam kawasan resonans untuk suatu tempoh, termasuk pada orbit yang mempunyai keadaan kestabilan berbeza.

Mengapakah jurang Kirkwood penting?

Jurang Kirkwood menunjukkan bahawa kedudukan dan pergerakan jasad kecil dalam Sistem Suria dipengaruhi oleh interaksi graviti yang berlaku dalam tempoh panjang. Corak taburan asteroid yang diperhatikan hari ini menyimpan maklumat tentang perkembangan orbit mereka. Kajian resonans juga membantu ahli astronomi memahami bagaimana sesetengah asteroid boleh berpindah daripada jalur asteroid utama ke orbit yang menghampiri planet.

Namun, bukan semua asteroid yang memasuki kawasan resonans akan bergerak menuju Bumi, kerana laluan seterusnya bergantung pada keadaan orbit dan gangguan graviti yang dialaminya. Dengan memahami resonans, ahli astronomi dapat membina model yang lebih baik tentang perubahan orbit asteroid dan perkembangan Sistem Suria.

Bagaimanakah ahli astronomi mengetahui bahawa graviti Musytari berkaitan dengan jurang asteroid?