Des astronomes du MIT et d’ailleurs ont cartographié la composition de l’astéroïde Psyche, révélant une surface de métal, de sable et de roche. Crédit : Capture d’écran avec l’aimable autorisation de la NASA
La surface variée de l’astéroïde Psyche suggère une histoire dynamique, qui pourrait inclure des éruptions métalliques, des impacts secouant des astéroïdes, et un manteau rocheux perdu.
Plus tard cette année, ;” data-gt-translate-attributes=”[{” 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.
À gauche, cette carte montre les propriétés de la surface de Psyche, des zones sableuses (violet/faible) aux zones rocheuses (jaune/élevé). La carte de droite montre l’abondance des métaux sur Psyche, de faible (violet) à élevée (jaune).
Pour attraper une correspondance
Dans la nouvelle étude, Cambioni a effectué des simulations de Psyche pour voir quelles propriétés de surface pourraient le mieux correspondre et expliquer les émissions thermiques mesurées. Dans chacun des centaines de scénarios simulés, il a placé la surface de l’astéroïde avec différentes combinaisons de matériaux, comme des zones de différentes abondances de métaux. Il a modélisé la rotation de l’astéroïde et a mesuré comment les matériaux simulés sur l’astéroïde émettaient des émissions thermiques. Cambioni a ensuite recherché les émissions simulées qui correspondaient le mieux aux émissions réelles mesurées par l’ALMA. Ce scénario, pensait-il, révélerait la carte la plus probable des matériaux de surface de l’astéroïde.
“Nous avons exécuté ces simulations zone par zone afin de pouvoir détecter les différences dans les propriétés de surface”, explique Cambioni.
L’étude a produit des cartes détaillées des propriétés de la surface de Psyche, montrant que la façade de l’astéroïde est probablement recouverte d’une grande diversité de matériaux. Les chercheurs ont confirmé que, dans l’ensemble, la surface de Psyche est riche en métaux, mais que l’abondance des métaux et des silicates varie à travers sa surface. Cela pourrait être un indice supplémentaire que, au début de sa formation, l’astéroïde a pu avoir un manteau riche en silicates qui a depuis disparu.
Ils ont également découvert que, lorsque l’astéroïde tourne, le matériau au fond d’une grande dépression – probablement un cratère – change de température beaucoup plus rapidement que le matériau le long du bord. Cela suggère que le fond du cratère est recouvert de ” mares ” de matériaux à grains fins, comme le sable sur Terre, qui se réchauffent rapidement, alors que les bords du cratère sont composés de matériaux plus rocheux, plus lents à se réchauffer.
“Des bassins de matériaux à grains fins ont été observés sur de petits astéroïdes, dont la gravité est suffisamment faible pour que les impacts secouent la surface et provoquent l’accumulation de matériaux plus fins”, explique Cambioni. “Mais Psyché est un grand corps, donc si des matériaux à grain fin se sont accumulés au fond de la dépression, c’est intéressant et quelque peu mystérieux.”
“Ces données montrent que la surface de Psyche est hétérogène, avec de possibles variations remarquables de composition”, déclare Simone Marchi, scientifique du personnel du Southwest Research Institute et co-investigateur de la mission Psyche de la NASA, qui n’a pas participé à l’étude actuelle. “L’un des principaux objectifs de la mission Psyche est d’étudier la composition de la surface de l’astéroïde à l’aide de son spectromètre à rayons gamma et à neutrons et d’un imageur couleur. Ainsi, la présence possible d’hétérogénéités de composition est quelque chose que l’équipe scientifique de Psyche est impatiente d’étudier davantage.”
Référence : “La surface hétérogène de l’astéroïde (16) Psyche” par Saverio Cambioni, Katherine de Kleer et Michael Shepard, 19 mai 2022, Journal of Geophysical Research : Planètes.
DOI : 10.1029/2021JE007091
Cette recherche a été soutenue par la bourse postdoctorale distinguée EAPS Crosby, et en partie par la Fondation Heising-Simons.
