Een nauwkeurig onderzoek van de millimetergolflengte-emissies van de asteroïde Psyche, die NASA van plan is te bezoeken in 2026, heeft de eerste temperatuurkaart van het object gemaakt, geeft nieuw inzicht in de oppervlakte-eigenschappen. De bevindingen, beschreven in een paper gepubliceerd in Planetair wetenschappelijk tijdschrift (PSJ) op 5 augustus zijn een stap in de richting van het oplossen van het mysterie van de oorsprong van dit ongewone object, waarvan sommigen dachten dat het een stuk van de kern was van een noodlottige protoplaneet.

Psyche draait om de zon in de asteroïdengordel, een donutvormig gebied in de ruimte tussen de aarde en Jupiter dat meer dan een miljoen rotsachtige lichamen bevat die in grootte variëren van 10 meter tot 946 kilometer in diameter.

Met een diameter van meer dan 200 km, Psyche is de grootste van de M-Type asteroïden, een raadselachtige klasse van asteroïden waarvan wordt gedacht dat ze metaalrijk zijn en daarom mogelijk fragmenten zijn van de kernen van protoplaneten die uiteenvielen toen het zonnestelsel werd gevormd.

"Het vroege zonnestelsel was een gewelddadige plaats, toen planetaire lichamen samensmolten en vervolgens met elkaar in botsing kwamen terwijl ze zich in banen rond de zon vestigden, " zegt Katherine de Kleer van Caltech, assistent-professor planetaire wetenschap en astronomie en hoofdauteur van de PSJ artikel. "We denken dat fragmenten van de kernen, mantels, en korsten van deze objecten blijven vandaag in de vorm van asteroïden. Als dat waar is, het geeft ons onze enige echte kans om de kernen van planeetachtige objecten rechtstreeks te bestuderen."

Het bestuderen van zulke relatief kleine objecten die zo ver van de aarde verwijderd zijn (Psyche drijft af op een afstand van 179,5 tot 329 miljoen km van de aarde) vormt een grote uitdaging voor planetaire wetenschappers, daarom is NASA van plan een sonde naar Psyche te sturen om het van dichtbij te onderzoeken. Typisch, thermische waarnemingen van de aarde - die het licht meten dat door een object zelf wordt uitgezonden in plaats van het licht van de zon dat door dat object wordt gereflecteerd - zijn in infrarode golflengten en kunnen slechts 1-pixelafbeeldingen van asteroïden produceren. Die ene pixel wel, echter, veel informatie onthullen; bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om de thermische traagheid van de asteroïde te bestuderen, of hoe snel het opwarmt in zonlicht en afkoelt in het donker.

"Een lage thermische inertie wordt meestal geassocieerd met stoflagen, terwijl een hoge thermische inertie kan duiden op rotsen aan het oppervlak, " zegt Saverio Cambioni van Caltech, postdoctoraal wetenschapper in planetaire wetenschap en co-auteur van de PSJ artikel. "Echter, het is moeilijk om het ene type landschap van het andere te onderscheiden." Gegevens van het bekijken van elke oppervlaktelocatie op vele tijdstippen van de dag bieden veel meer details, leidt tot een interpretatie die minder dubbelzinnig is, en die een betrouwbaardere voorspelling van het landschapstype bieden voorafgaand aan de aankomst van een ruimtevaartuig.

De Kleer en Camioni, samen met co-auteur Michael Shepard van Bloomsburg University in Pennsylvania, profiteerde van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili, die in 2013 volledig operationeel werd om dergelijke gegevens te verkrijgen. De reeks van 66 radiotelescopen stelde het team in staat om de thermische emissies van het hele oppervlak van Psyche in kaart te brengen met een resolutie van 30 km (waarbij elke pixel 30 km bij 30 km is) en een afbeelding van de asteroïde te genereren die uit ongeveer 50 pixels bestaat.

Dit was mogelijk omdat ALMA Psyche observeerde op millimetergolflengten, die langer zijn (van 1 tot 10 millimeter) dan de infrarode golflengten (meestal tussen 5 en 30 micron). Door het gebruik van langere golflengten konden de onderzoekers de gegevens van de 66 telescopen combineren om een ​​veel grotere effectieve telescoop te creëren; hoe groter een telescoop, hoe hoger de resolutie van de beelden die het produceert.

De studie bevestigde dat de thermische inertie van Psyche hoog is in vergelijking met die van een typische asteroïde, wat aangeeft dat Psyche een ongewoon dicht of geleidend oppervlak heeft. Toen de Kleer, Cambion, en Shepar analyseerden de gegevens, ze ontdekten ook dat de thermische emissie van Psyche - de hoeveelheid warmte die het uitstraalt - slechts 60 procent is van wat zou worden verwacht van een typisch oppervlak met die thermische traagheid. Omdat de emissie aan het oppervlak wordt beïnvloed door de aanwezigheid van metaal op het oppervlak, hun bevinding geeft aan dat het oppervlak van Psyche niet minder dan 30 procent metaal is. Een analyse van de polarisatie van de emissie hielp de onderzoekers om grofweg te bepalen welke vorm dat metaal aanneemt. Een glad massief oppervlak straalt goed georganiseerd gepolariseerd licht uit; het licht uitgezonden door Psyche, echter, werd verstrooid, wat suggereert dat rotsen op het oppervlak doorspekt zijn met metalen korrels.

"We weten al jaren dat objecten in deze klasse niet, in feite, massief metaal, maar wat ze zijn en hoe ze gevormd zijn, is nog steeds een raadsel, " zegt de Kleer. De bevindingen versterken alternatieve voorstellen voor de oppervlaktesamenstelling van Psyche, inclusief dat Psyche een primitieve asteroïde zou kunnen zijn die zich dichter bij de zon heeft gevormd dan nu het geval is, in plaats van een kern van een gefragmenteerde protoplaneet.

De technieken die in deze studie worden beschreven, bieden een nieuw perspectief op de samenstelling van het oppervlak van asteroïden. The team is now expanding its scope to apply these techniques to other large objects in the asteroid belt.

The study was enabled by a related project by the team led by Michael Shepard at Bloomsburg University that utilized de Kleer's data in combination with data from other telescopes, including Arecibo Observatory in Puerto Rico, to pin down the size, vorm, and orientation of Psyche. That in turn allowed the researchers to determine which pixels that had been captured actually represented the asteroid's surface. Shepard's team was scheduled to observe Psyche again at the end of 2020, but damage from cable failures shut the telescope down before the observations could be made.

The paper is titled "The Surface of (16) Psyche from Thermal Emission and Polarization Mapping."