science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Zeer poreuze rotsen zijn verantwoordelijk voor het verrassend steile oppervlak van asteroïde Bennus

OSIRIS-REx-missiewetenschappers dachten dat het proeven van een stukje Bennu zou zijn als een wandeling op het strand, maar het verrassend steile oppervlak bleek een grotere uitdaging te zijn. Krediet:NASA / Goddard / Universiteit van Arizona

Wetenschappers dachten dat het oppervlak van asteroïde Bennu eruit zou zien als een zandstrand, overvloedig in fijn zand en kiezelstenen, die perfect zou zijn geweest voor het verzamelen van monsters. Eerdere telescoopwaarnemingen vanuit de baan van de aarde hadden de aanwezigheid gesuggereerd van grote delen van fijnkorrelig materiaal, fijne regoliet genaamd, dat kleiner is dan een paar centimeter.

Maar toen het ruimtevaartuig van NASA's door de Universiteit van Arizona geleide OSIRIS-REx asteroïde monsterretourmissie eind 2018 in Bennu arriveerde, het missieteam zag een oppervlak bedekt met rotsblokken. Het mysterieuze gebrek aan fijne regoliet werd zelfs nog verrassender toen missiewetenschappers bewijs observeerden van processen die keien tot fijne regoliet konden vermalen.

Nieuw onderzoek, gepubliceerd in Natuur en geleid door missieteamlid Saverio Cambioni, gebruikte machine learning en oppervlaktetemperatuurgegevens om het mysterie op te lossen. Camioni was een afgestudeerde student aan het UArizona Lunar and Planetary Laboratory toen het onderzoek werd uitgevoerd en is nu een postdoctoraal onderscheiden fellow bij het Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen aan het Massachusetts Institute of Technology. Hij en zijn collega's ontdekten uiteindelijk dat de zeer poreuze rotsen van Bennu verantwoordelijk zijn voor het verrassende gebrek aan fijne regoliet op het oppervlak.

"De 'REx' in OSIRIS-REx staat voor Regolith Explorer, dus het in kaart brengen en karakteriseren van het oppervlak van de asteroïde was een hoofddoel, " zei co-auteur van de studie en OSIRIS-REx hoofdonderzoeker Dante Lauretta, een Regents Professor of Planetary Sciences aan de Universiteit van Arizona. "Het ruimtevaartuig verzamelde gegevens met een zeer hoge resolutie voor Bennu's hele oppervlak, dat was op sommige locaties nog maar 3 millimeter per pixel. Naast wetenschappelijke interesse, het ontbreken van fijne regoliet werd een uitdaging voor de missie zelf, omdat het ruimtevaartuig is ontworpen om dergelijk materiaal te verzamelen."

Om een ​​monster te verzamelen om naar de aarde terug te keren, het OSIRIS-REx-ruimtevaartuig is gebouwd om te navigeren in een gebied op Bennu, ongeveer zo groot als een parkeerplaats met 100 plaatsen. Echter, vanwege de vele rotsblokken, de veilige monsternemingsplaats werd teruggebracht tot ongeveer vijf parkeerplaatsen. Het ruimtevaartuig maakte in oktober 2020 succesvol contact met Bennu om monstermateriaal te verzamelen.

Een moeizame start en solide antwoorden

"Toen de eerste beelden van Bennu binnenkwamen, we merkten enkele gebieden op waar de resolutie niet hoog genoeg was om te zien of er kleine rotsen of fijne regoliet waren. We begonnen onze machine learning-aanpak te gebruiken om fijne regoliet van rotsen te scheiden met behulp van thermische emissie (infrarood) gegevens, ' zei Camioni.

De thermische emissie van fijne regoliet is anders dan die van grotere rotsen, omdat de eerste wordt bepaald door de grootte van zijn deeltjes, terwijl de laatste wordt gecontroleerd door de porositeit van de rotsen. Het team bouwde eerst een bibliotheek met voorbeelden van thermische emissies geassocieerd met fijne regoliet gemengd in verschillende verhoudingen met rotsen van verschillende porositeit. Volgende, ze gebruikten machinale leertechnieken om een ​​computer te leren hoe de "punten" tussen de voorbeelden te verbinden. Vervolgens, ze gebruikten de machine learning-software om de thermische emissie te analyseren van 122 gebieden op het oppervlak van Bennu die zowel overdag als 's nachts werden waargenomen.

"Alleen een machine learning-algoritme kan een dataset van deze omvang efficiënt verkennen, ' zei Camioni.

Toen de data-analyse was voltooid, Camioni en zijn medewerkers ontdekten iets verrassends:de fijne regoliet was niet willekeurig verdeeld over Bennu, maar lag lager waar de rotsen poreuzer waren, die zich op het grootste deel van het oppervlak bevond.

Het team concludeerde dat zeer weinig fijne regoliet wordt geproduceerd door de zeer poreuze rotsen van Bennu, omdat deze rotsen worden samengedrukt in plaats van gefragmenteerd door meteoroïde-inslagen. Als een spons, de holtes in de rotsen dempen de klap van inkomende meteoren. Deze bevindingen komen ook overeen met laboratoriumexperimenten van andere onderzoeksgroepen.

"In principe, een groot deel van de energie van de impact gaat naar het verpletteren van de poriën, waardoor de fragmentatie van de rotsen wordt beperkt en de productie van nieuwe fijne regoliet, " zei co-auteur Chrysa Avdellidou, een postdoctoraal onderzoeker aan het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS)-Lagrange Laboratorium van het Observatorium en de Universiteit van de Côte d'Azur in Frankrijk.

Aanvullend, barsten veroorzaakt door de verwarming en afkoeling van Bennu's rotsen terwijl de asteroïde dag en nacht roteert, verloopt langzamer in poreuze rotsen dan in dichtere rotsen, verder frustreren van de productie van fijne regoliet.

"Wanneer OSIRIS-REx zijn monster van Bennu (naar de aarde) in september 2023 aflevert, wetenschappers zullen de monsters in detail kunnen bestuderen, " zei Jason Dworkin, OSIRIS-REx projectwetenschapper bij NASA Goddard Space Flight Center. "Dit omvat het testen van de fysieke eigenschappen van de rotsen om deze studie te verifiëren."

Andere missies hebben bewijs om de bevindingen van het team te bevestigen. Hayabusa 2-missie van het Japanse Aerospace Exploration Agency naar Ryugu, een koolstofhoudende asteroïde zoals Bennu, ontdekte dat Ryugu ook geen fijne regoliet heeft en zeer poreuze rotsen heeft. Omgekeerd, JAXA's Hayabusa-missie naar de asteroïde Itokawa in 2005 onthulde overvloedige fijne regoliet op het oppervlak van Itokawa, een S-type asteroïde met rotsen van een andere samenstelling dan Bennu en Ryugu. Een eerdere studie door Cambioni en zijn collega's leverde bewijs dat de rotsen van Itokawa minder poreus zijn dan die van Bennu en Ryugu, met behulp van waarnemingen van de aarde.

"Al decenia, astronomen betwistten dat kleine, asteroïden in de buurt van de aarde kunnen kale rotsoppervlakken hebben. Het meest onbetwistbare bewijs dat deze kleine asteroïden substantiële fijne regoliet kunnen hebben, kwam naar voren toen ruimtevaartuigen in de jaren 2000 de S-type asteroïden Eros en Itokawa bezochten en fijne regoliet op hun oppervlak vonden, " zei co-auteur van de studie Marco Delbo, onderzoeksdirecteur bij CNRS, ook in het Lagrange Laboratorium.

Het team voorspelt dat grote delen van fijn regoliet ongewoon zouden moeten zijn op koolstofhoudende asteroïden, die de meest voorkomende van alle asteroïde-types zijn en waarvan wordt gedacht dat ze gesteenten met een hoge porositeit hebben, zoals Bennu. In tegenstelling tot, terreinen die rijk zijn aan fijn regoliet zouden normaal moeten zijn op S-type asteroïden, die de op één na meest voorkomende groep in het zonnestelsel zijn, en men denkt dat ze dichter zijn, minder poreuze gesteenten dan koolstofhoudende asteroïden.

"Dit is een belangrijk stuk in de puzzel van wat de diversiteit van de oppervlakken van asteroïden drijft. Men denkt dat asteroïden fossielen van het zonnestelsel zijn, dus het begrijpen van de evolutie die ze in de tijd hebben ondergaan, is cruciaal om te begrijpen hoe het zonnestelsel gevormd en geëvolueerd is, " zei Camioni. "Nu we dit fundamentele verschil tussen koolstofhoudende en S-type asteroïden kennen, toekomstige teams kunnen missies voor het verzamelen van monsters beter voorbereiden, afhankelijk van de aard van de doelasteroïde."

De Universiteit van Arizona leidt het wetenschapsteam OSIRIS-REx en de planning en gegevensverwerking van de missie voor wetenschappelijke observatie. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zorgt voor algemeen missiebeheer, systeemtechniek, en de veiligheids- en missieborging voor OSIRIS-REx. Lockheed Martin-ruimte in Littleton, Colorado, bouwde het ruimtevaartuig en biedt vluchtoperaties. Goddard en KinetX Aerospace zijn verantwoordelijk voor het navigeren door het ruimtevaartuig OSIRIS-REx. OSIRIS-REx is de derde missie in het New Frontiers-programma van NASA, beheerd door NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, voor het directoraat Wetenschapsmissie van het bureau in Washington, gelijkstroom