소행성 정신의 놀라운 새 지도는 금속과 암석의 고대 세계를 보여줍니다

소행성 프시케의 다양한 표면은 광물 분출, 소행성 흔들림 효과, 암석 맨틀 누락 등을 포함할 수 있는 역동적인 역사를 암시합니다.

올해 말그리고[{” 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.

왼쪽에서 이 지도는 모래(보라색/낮음)에서 암석(노란색/높음) 지역까지 프시케의 표면 특성을 보여줍니다. 오른쪽 지도는 낮은(보라색)에서 높은(노란색)까지 프시케의 풍부한 광물을 보여줍니다.

경기를 따라잡기 위해

새로운 연구에서 Cambioni는 Psyche 시뮬레이션을 실행하여 어떤 표면 속성이 가장 잘 일치하는지 찾고 측정된 열 방출을 설명했습니다. 수백 개의 시뮬레이션 시나리오 각각에서 그는 광물이 풍부한 지역과 같은 다양한 재료 조합으로 소행성의 표면을 매핑했습니다. 그는 소행성의 회전을 모델링하고 소행성의 시뮬레이션된 재료가 어떻게 열을 방출하는지 측정했습니다. 그런 다음 Campione은 ALMA에서 측정한 실제 배출량과 가장 잘 일치하는 모의 배출량을 찾았습니다. 그는 이 시나리오가 소행성의 표면 물질에 대한 가장 가능성 있는 지도를 드러낼 것이라고 믿습니다.

“표면 특성의 차이를 식별할 수 있을 때까지 이러한 시뮬레이션을 지역별로 실행했습니다.”라고 Campione은 말합니다.

이 연구는 프시케의 표면 특성에 대한 상세한 지도를 생성하여 소행성의 경계면이 다양한 물질로 덮여 있을 가능성이 있음을 보여줍니다. 연구진은 프시케의 표면은 일반적으로 미네랄이 풍부하지만 표면에 따라 미네랄과 규산염의 풍부도가 다르다고 강조했다. 이것은 형성 초기에 소행성이 이후 사라진 규산염이 풍부한 맨틀을 가지고 있었을 수 있다는 추가 암시일 수 있습니다.

그들은 또한 소행성이 궤도를 돌면서 분화구로 추정되는 큰 함몰부의 바닥에 있는 물질이 가장자리를 따라 있는 물질보다 훨씬 빠르게 온도를 변화시키는 것을 발견했습니다. 이것은 분화구의 바닥이 지상의 모래와 같은 미세 입자 물질의 “웅덩이”로 덮여 있으며 빠르게 가열되는 반면 분화구의 가장자리는 더 느리고 따뜻한 암석 물질로 구성되어 있음을 나타냅니다.

Campione은 “세립 물질의 연못은 작은 소행성에서 볼 수 있으며 중력은 표면을 흔드는 충격으로 인해 미세한 물질이 뭉칠 정도로 충분히 낮습니다.”라고 말합니다. “하지만 프시케는 몸이 커서 우울증 바닥에 미세한 물질이 쌓이면 오히려 흥미롭고 신비롭다.”

사우스웨스트 연구소의 과학자이자 현재 연구에 참여하지 않은 나사의 프시케 임무 공동 연구자인 시몬 마르키는 “이 데이터는 프시케의 표면이 이질적이며 구성면에서 현저한 차이가 있음을 보여준다”고 말했다. “Psyche의 임무의 주요 목표 중 하나는 감마선, 중성자 분광계 및 컬러 이미저를 사용하여 소행성 표면의 구성을 연구하는 것입니다. 따라서 구성 유전자의 잠재적인 존재는 심리학 팀이 더 연구하기를 열망하는 것입니다.”

참조: Saverio Campione, Catherine de Clare 및 Michael Shepherd의 “The Heterogeneous Surface of Asteroid (16) Psyche”, 2022년 5월 19일, 여기에서 볼 수 있습니다. 지구 물리학 연구 저널: 행성.
DOI: 10.1029/2021JE007091

이 연구는 EAPS Crosby Distinguished Postdoctoral Fellowship과 부분적으로 Heising-Simons Foundation의 지원을 받았습니다.