Gli astronomi del MIT e altrove hanno mappato la composizione dell’asteroide Psyche, rivelando una superficie di metallo, sabbia e roccia. Credito: screenshot della NASA

La variegata superficie dell’asteroide Psyche suggerisce una storia dinamica, che può includere eruzioni minerali, effetti di scuotimento dell’asteroide e un mantello roccioso mancante.

Entro quest’annoE il[{” 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.

A sinistra, questa mappa mostra le caratteristiche della superficie su Psiche, dalle aree sabbiose (viola/bassa) a quelle rocciose (gialle/alte). La mappa a destra mostra l’abbondanza di minerali su Psiche, dal basso (viola) all’alto (giallo).

per mettersi al passo con la partita

Nel nuovo studio, Cambioni ha eseguito simulazioni di Psyche per scoprire quali proprietà della superficie potrebbero corrispondere meglio e spiegare le emissioni di calore misurate. In ciascuno delle centinaia di scenari simulati, ha mappato la superficie dell’asteroide con diverse combinazioni di materiali, come regioni con diverse abbondanze minerali. Ha modellato la rotazione dell’asteroide e ha misurato il modo in cui i materiali simulati sull’asteroide avrebbero emesso calore. Campione ha quindi cercato le emissioni simulate che meglio corrispondessero alle emissioni effettive misurate da ALMA. Questo scenario, crede, rivelerà la mappa più probabile del materiale di superficie dell’asteroide.

“Abbiamo eseguito queste simulazioni regione per regione fino a quando non siamo riusciti a identificare le differenze nelle proprietà della superficie”, afferma Campione.

Lo studio ha prodotto mappe dettagliate delle proprietà della superficie di Psyche, mostrando che l’interfaccia dell’asteroide è probabilmente ricoperta da una grande varietà di materiali. I ricercatori hanno sottolineato che la superficie di Psyche in generale è ricca di minerali, ma l’abbondanza di minerali e silicati varia a seconda della sua superficie. Questo potrebbe essere un ulteriore indizio che l’asteroide, all’inizio della sua formazione, potrebbe aver avuto un mantello ricco di silicati che da allora è scomparso.

Hanno anche scoperto che mentre l’asteroide orbitava, il materiale sul fondo di una grande depressione – probabilmente un cratere – cambiava temperatura molto più velocemente del materiale lungo il bordo. Ciò indica che il fondo del cratere è ricoperto da “pozze” di materiale a grana fine, come la sabbia al suolo, che si riscalda rapidamente, mentre i bordi del cratere sono costituiti da materiale roccioso più lento e più caldo.

“Sono stati visti stagni di materiale a grana fine su piccoli asteroidi, la loro gravità è abbastanza bassa da consentire a shock di scuotimento della superficie di causare l’aggregazione di materiale più fine”, afferma Campione. “Ma Psiche è un grande corpo, quindi se del materiale a grana fine si accumula sul fondo della depressione, è piuttosto interessante e misterioso”.

“Questi dati mostrano che la superficie di Psyche è eterogenea, con marcate differenze nella composizione”, afferma Simone Marchi, scienziato del Southwest Research Institute e co-investigatore della missione Psyche della NASA, che non è stato coinvolto nello studio in corso. “Uno degli obiettivi primari della missione di Psyche è studiare la composizione della superficie dell’asteroide usando raggi gamma, uno spettrometro di neutroni e un imager a colori. Quindi, la potenziale presenza di geni compositivi è qualcosa che il team di psicologia è desideroso di studiare ulteriormente”.

Riferimento: “The Heterogeneous Surface of Asteroid (16) Psyche” di Saverio Campione, Catherine de Clare e Michael Shepherd, 19 maggio 2022, disponibile qui. Giornale di ricerca geofisica: pianeti.
DOI: 10.1029/2021JE007091

Questa ricerca è stata supportata da una EAPS Crosby Distinguished Postdoctoral Fellowship e in parte dalla Heising-Simons Foundation.