Ongelooflijke nieuwe kaarten van asteroïde psyche onthullen een oude wereld van metal en rock

Astronomen van het MIT en elders hebben de samenstelling van asteroïde Psyche in kaart gebracht, waardoor een oppervlak van metaal, zand en gesteente is onthuld. Krediet: screenshot van NASA

Het gevarieerde oppervlak van asteroïde Psyche suggereert een dynamische geschiedenis, die minerale uitbarstingen, asteroïde schudeffecten en een ontbrekende rotsachtige mantel kan omvatten.

Later dit jaarEn de[{” attribute=””>NASA is set to launch a probe the size of a tennis court to the asteroid belt, a region between the orbits of Mars and Jupiter where remnants of the early solar system orbit the sun. Once within the asteroid belt, the spacecraft will zero in on Psyche, a large, metal-rich asteroid that is thought to be the ancient core of an early planet. The probe, named after its asteroid target, will then spend close to two years orbiting and analyzing Psyche’s surface for clues to how early planetary bodies evolved.

Ahead of the mission, which is led by principal investigator Lindy Elkins-Tanton ’87, SM ’87, PhD ’02, planetary scientists at MIT and elsewhere have now provided a sneak peek of what the Psyche spacecraft might see when it reaches its destination.

In a paper published on June 15, 2022, in the Journal of Geophysical Research: Planets, the planetary science team presents the most detailed maps of the asteroid’s surface properties to date, based on observations taken by a large array of ground telescopes in northern Chile. The maps reveal vast metal-rich regions sweeping across the asteroid’s surface, along with a large depression that appears to have a different surface texture between the interior and its rim; this difference could reflect a crater filled with finer sand and rimmed with rockier materials.

This illustration, updated in April 2022, depicts NASA’s Psyche spacecraft. Set to launch in August 2022, the Psyche mission will explore a metal-rich asteroid of the same name that lies in the main asteroid belt between Mars and Jupiter. The spacecraft will arrive in early 2026 and orbit the asteroid – also shown in this illustration – for nearly two years to investigate its composition. Credit: NASA/JPL-Caltech/ASU

Overall, Psyche’s surface was found to be surprisingly varied in its properties.

The new maps hint at the asteroid’s history. Its rocky regions could be vestiges of an ancient mantle — similar in composition to the rocky outermost layer of Earth, Mars, and the asteroid Vesta — or the imprint of past impacts by space rocks. Finally, craters that contain metallic material support the idea proposed by previous studies that the asteroid may have experienced early eruptions of metallic lava as its ancient core cooled.

“Psyche’s surface is very heterogeneous,” says lead author Saverio Cambioni, the Crosby Distinguished Postdoctoral Fellow in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS). “It’s an evolved surface, and these maps confirm that metal-rich asteroids are interesting, enigmatic worlds. It’s another reason to look forward to the Psyche mission going to the asteroid.”

Cambioni’s co-authors are Katherine de Kleer, assistant professor of planetary science and astronomy at Caltech, and Michael Shepard, professor of environmental, geographical, and geological sciences at Bloomsburg University.

Telescope Power

The surface of Psyche has been a focus of numerous previous mapping efforts. Researchers have observed the asteroid using various telescopes to measure light emitted from the asteroid at infrared wavelengths, which carry information about Psyche’s surface composition. However, these studies could not spatially resolve variations in composition over the surface.

Cambioni and his colleagues instead were able to see Psyche in finer detail, at a resolution of about 20 miles per pixel, using the combined power of the 66 radio antennas of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in northern Chile. Each antenna of ALMA measures light emitted from an object at millimeter wavelengths, within a range that is sensitive to temperature and certain electrical properties of surface materials.

“The signals of the ALMA antennas can be combined into a synthetic signal that’s equivalent to a telescope with a diameter of 16 kilometers (10 miles),” de Kleer says. “The larger the telescope, the higher the resolution.”

On June 19, 2019, ALMA focused its entire array on Psyche as it orbited and rotated within the asteroid belt. De Kleer collected data during this period and converted it into a map of thermal emissions across the asteroid’s surface, which the team reported in a 2021 study. Those same data were used by Shepard to produce the most recent high-resolution 3D shape model of Psyche, also published in 2021.

Aan de linkerkant toont deze kaart oppervlaktekenmerken op Psyche, van zanderige (paars/laag) tot rotsachtige (geel/hoog) gebieden. De kaart rechts toont de overvloed aan mineralen op Psyche, van laag (paars) tot hoog (geel).

om de wedstrijd in te halen

In de nieuwe studie voerde Cambioni Psyche-simulaties uit om erachter te komen welke oppervlakte-eigenschappen het best overeenkomen en om de gemeten warmte-emissies te verklaren. In elk van de honderden gesimuleerde scenario’s bracht hij het oppervlak van de asteroïde in kaart met verschillende combinaties van materialen, zoals regio’s met verschillende minerale abundanties. Hij modelleerde de rotatie van de asteroïde en mat hoe gesimuleerde materialen op de asteroïde warmte-emissies zouden afgeven. Campione zocht vervolgens naar gesimuleerde emissies die het best overeenkwamen met de daadwerkelijke emissies die door ALMA werden gemeten. Dit scenario zal volgens hem de meest waarschijnlijke kaart van het oppervlaktemateriaal van de asteroïde onthullen.

“We hebben deze simulaties regio per regio uitgevoerd totdat we verschillen in oppervlakte-eigenschappen konden identificeren”, zegt Campione.

De studie leverde gedetailleerde kaarten op van de oppervlakte-eigenschappen van Psyche, waaruit blijkt dat het grensvlak van de asteroïde waarschijnlijk is bedekt met een grote verscheidenheid aan materialen. De onderzoekers benadrukten dat het oppervlak van Psyche over het algemeen rijk is aan mineralen, maar de overvloed aan mineralen en silicaten varieert afhankelijk van het oppervlak. Dit kan een verdere aanwijzing zijn dat de asteroïde, in het begin van zijn vorming, mogelijk een silicaatrijke mantel heeft gehad die sindsdien is verdwenen.

Ze ontdekten ook dat terwijl de asteroïde in een baan om de aarde draaide, het materiaal op de bodem van een grote depressie – waarschijnlijk een krater – veel sneller van temperatuur veranderde dan materiaal langs de rand. Dit geeft aan dat de bodem van de krater is bedekt met “poelen” van fijnkorrelig materiaal, zoals zand op de grond, die snel opwarmen, terwijl de kraterranden zijn gemaakt van langzamer, warmer rotsachtig materiaal.

“Er zijn vijvers met fijnkorrelig materiaal gezien op kleine asteroïden, hun zwaartekracht is laag genoeg om schokken door oppervlaktetrillingen te laten aggregeren”, zegt Campione. “Maar Psyche is een groot lichaam, dus als fijnkorrelig materiaal zich ophoopt op de bodem van de depressie, is dat nogal interessant en mysterieus.”

“Deze gegevens laten zien dat het oppervlak van Psyche heterogeen is, met duidelijke verschillen in samenstelling”, zegt Simone Marchi, een wetenschapper aan het Southwest Research Institute en een mede-onderzoeker van de NASA Psyche-missie, die niet betrokken was bij het huidige onderzoek. “Een van de belangrijkste doelen van Psyche’s missie is om de samenstelling van het oppervlak van de asteroïde te bestuderen met behulp van gammastralen, een neutronenspectrometer en een kleurenbeeldvormer. Dus de mogelijke aanwezigheid van compositorische genen is iets dat het psychologieteam graag verder wil bestuderen. “

Referentie: “The Heterogene Surface of Asteroid (16) Psyche” door Saverio Campione, Catherine de Clare en Michael Shepherd, 19 mei 2022, hier beschikbaar. Journal of Geophysical Research: Planeten.
DOI: 10.1029/2021JE007091

Dit onderzoek werd ondersteund door een EAPS Crosby Distinguished Postdoctoral Fellowship, en gedeeltelijk door de Heising-Simons Foundation.