Unglaubliche neue Karten der Asteroidenpsyche enthüllen eine uralte Welt aus Metal und Rock

Astronomen am MIT und anderswo haben die Zusammensetzung des Asteroiden Psyche kartiert und eine Oberfläche aus Metall, Sand und Gestein freigelegt. Quelle: Screenshot von der NASA

Die abwechslungsreiche Oberfläche des Asteroiden Psyche deutet auf eine dynamische Geschichte hin, die Mineralausbrüche, Asteroiden-Erschütterungseffekte und einen fehlenden Gesteinsmantel umfassen kann.

Später in diesem JahrUnd die[{“ 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.

Auf der linken Seite zeigt diese Karte Oberflächeneigenschaften auf Psyche, von sandigen (lila/niedrig) bis zu felsigen (gelb/hoch) Gebieten. Die Karte rechts zeigt die Fülle an Mineralien auf Psyche, von niedrig (lila) bis hoch (gelb).

um das Spiel nachzuholen

In der neuen Studie führte Cambioni Psyche-Simulationen durch, um herauszufinden, welche Oberflächeneigenschaften am besten übereinstimmen könnten, und um die gemessenen Wärmeemissionen zu erklären. In jedem der Hunderte von simulierten Szenarien kartierte er die Oberfläche des Asteroiden mit unterschiedlichen Materialkombinationen, beispielsweise Regionen mit unterschiedlichen Mineralvorkommen. Er modellierte die Rotation des Asteroiden und maß, wie simulierte Materialien auf dem Asteroiden Wärmeemissionen abgeben würden. Campione suchte dann nach simulierten Emissionen, die am besten mit den von ALMA gemessenen tatsächlichen Emissionen übereinstimmten. Er glaubt, dass dieses Szenario die wahrscheinlichste Karte des Oberflächenmaterials des Asteroiden enthüllen wird.

„Wir haben diese Simulationen Region für Region durchgeführt, bis wir Unterschiede in den Oberflächeneigenschaften identifizieren konnten“, sagt Campione.

Die Studie erstellte detaillierte Karten der Oberflächeneigenschaften von Psyche, die zeigen, dass die Grenzfläche des Asteroiden wahrscheinlich mit einer Vielzahl von Materialien bedeckt ist. Die Forscher betonten, dass die Oberfläche von Psyche im Allgemeinen reich an Mineralien ist, die Häufigkeit von Mineralien und Silikaten jedoch je nach Oberfläche variiert. Dies könnte ein zusätzlicher Hinweis darauf sein, dass der Asteroid zu Beginn seiner Entstehung möglicherweise einen silikatreichen Mantel hatte, der inzwischen verschwunden ist.

Sie fanden auch heraus, dass das Material am Boden einer großen Vertiefung – wahrscheinlich ein Krater – während der Umlauf des Asteroiden die Temperatur viel schneller änderte als das Material am Rand. Dies deutet darauf hin, dass der Kraterboden mit „Pools“ aus feinkörnigem Material bedeckt ist, wie Sand auf dem Boden, der sich schnell erwärmt, während die Ränder des Kraters aus langsamerem, wärmerem Gesteinsmaterial bestehen.

„Teiche aus feinkörnigem Material wurden auf kleinen Asteroiden gesehen, ihre Schwerkraft ist gering genug, damit Erschütterungen an der Oberfläche dazu führen können, dass sich feineres Material ansammelt“, sagt Campione. „Aber Psyche ist ein großer Körper, wenn sich also feinkörniges Material am Boden der Vertiefung ansammelt, ist das ziemlich interessant und mysteriös.“

„Diese Daten zeigen, dass die Oberfläche von Psyche heterogen ist, mit deutlichen Unterschieden in der Zusammensetzung“, sagt Simone Marchi, Wissenschaftlerin am Southwest Research Institute und Mitforscherin der NASA-Mission Psyche, die nicht an der aktuellen Studie beteiligt war. „Eines der Hauptziele von Psyches Mission ist es, die Zusammensetzung der Oberfläche des Asteroiden mit Gammastrahlen, einem Neutronenspektrometer und einem Farbbildgeber zu untersuchen. Das potenzielle Vorhandensein von Zusammensetzungsgenen ist also etwas, das das Psychologieteam unbedingt weiter untersuchen möchte.“

Referenz: „The Heterogeneous Surface of Asteroid (16) Psyche“ von Saverio Campione, Catherine de Clare und Michael Shepherd, 19. Mai 2022, hier verfügbar. Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Planeten.
DOI: 10.1029/2021JE007091

Diese Forschung wurde durch ein EAPS Crosby Distinguished Postdoctoral Fellowship und teilweise durch die Heising-Simons Foundation unterstützt.