En närmare granskning av utsläppen av millimetervåglängd från asteroiden Psyche, som NASA har för avsikt att besöka 2026, har tagit fram den första temperaturkartan över objektet, ger ny insikt om dess ytegenskaper. Resultaten, beskrivs i en tidning publicerad i Planetary Science Journal (PSJ) den 5 augusti, är ett steg mot att lösa mysteriet om ursprunget till detta ovanliga föremål, som av vissa har ansetts vara en del av kärnan i en olycklig protoplanet.

Psyche kretsar runt solen i asteroidbältet, en munkformad region i rymden mellan jorden och Jupiter som innehåller mer än en miljon steniga kroppar som varierar i storlek från 10 meter till 946 kilometer i diameter.

Med en diameter på mer än 200 km, Psyche är den största av M-Type asteroiderna, en gåtfull klass av asteroider som tros vara metallrika och därför potentiellt kan vara fragment av kärnorna av protoplaneter som bröts upp när solsystemet bildades.

"Det tidiga solsystemet var en våldsam plats, när planetariska kroppar smälte samman och sedan kolliderade med varandra medan de slog sig ner i omloppsbanor runt solen, " säger Caltechs Katherine de Kleer, biträdande professor i planetarisk vetenskap och astronomi och huvudförfattare till PSJ artikel. "Vi tror att fragment av kärnorna, mantlar, och skorpor av dessa föremål finns kvar idag i form av asteroider. Om det är sant, det ger oss vår enda verkliga möjlighet att direkt studera kärnorna i planetliknande objekt."

Att studera sådana relativt små föremål som är så långt borta från jorden (Psyke driver på ett avstånd som sträcker sig mellan 179,5 och 329 miljoner km från jorden) utgör en betydande utmaning för planetforskare, vilket är anledningen till att NASA planerar att skicka en sond till Psyche för att undersöka den på nära håll. Vanligtvis, termiska observationer från jorden – som mäter ljuset som sänds ut av ett objekt i sig snarare än ljus från solen som reflekteras från det objektet – är i infraröda våglängder och kan bara producera 1-pixelbilder av asteroider. Den ena pixeln gör det, dock, avslöja mycket information; till exempel, den kan användas för att studera asteroidens termiska tröghet, eller hur snabbt den värms upp i solljus och svalnar i mörker.

"Låg termisk tröghet är vanligtvis förknippad med lager av damm, medan hög termisk tröghet kan indikera stenar på ytan, " säger Caltechs Saverio Cambioni, postdoktor i planetvetenskap och medförfattare till PSJ artikel. "Dock, Det är svårt att urskilja en typ av landskap från den andra." Data från att titta på varje yta vid många tider på dygnet ger mycket mer detaljer, leder till en tolkning som är mindre otydlig, och som ger en mer tillförlitlig förutsägelse av landskapstyp före en rymdfarkosts ankomst.

De Kleer och Cambioni, tillsammans med medförfattaren Michael Shepard från Bloomsburg University i Pennsylvania, utnyttjade Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile, som togs i drift 2013, för att få sådana uppgifter. Arrayen av 66 radioteleskop gjorde det möjligt för teamet att kartlägga de termiska utsläppen från Psyches hela yta med en upplösning på 30 km (där varje pixel är 30 km gånger 30 km) och generera en bild av asteroiden som består av cirka 50 pixlar.

Detta var möjligt eftersom ALMA observerade Psyche vid millimetervåglängder, som är längre (som sträcker sig från 1 till 10 millimeter) än de infraröda våglängderna (vanligtvis mellan 5 och 30 mikron). Användningen av längre våglängder gjorde det möjligt för forskarna att kombinera data som samlats in från de 66 teleskopen för att skapa ett mycket större effektivt teleskop; ju större ett teleskop, desto högre upplösning på bilderna produceras.

Studien bekräftade att Psyches termiska tröghet är hög jämfört med en typisk asteroid, vilket indikerar att Psyche har en ovanligt tät eller ledande yta. När de Kleer, Cambioni, och Shepard analyserade data, de fann också att Psyches termiska emission – mängden värme den utstrålar – bara är 60 procent av vad som skulle förväntas från en typisk yta med den termiska trögheten. Eftersom ytemissionen påverkas av närvaron av metall på ytan, deras fynd indikerar att Psyches yta är inte mindre än 30 procent metall. En analys av polariseringen av utsläppet hjälpte forskarna att grovt bestämma vilken form den metallen tar. En jämn fast yta avger välorganiserat polariserat ljus; ljuset som sänds ut av Psyche, dock, var utspridda, vilket tyder på att stenar på ytan är pepprade med metalliska korn.

"Vi har vetat i många år att föremål i den här klassen inte är faktiskt, solid metall, men vad de är och hur de bildades är fortfarande en gåta, " säger de Kleer. Fynden förstärker alternativa förslag för Psyches ytsammansättning, inklusive att Psyche kunde vara en primitiv asteroid som bildades närmare solen än den är idag istället för en kärna av en fragmenterad protoplanet.

Teknikerna som beskrivs i denna studie ger ett nytt perspektiv på asteroidytsammansättningar. Teamet utökar nu sin räckvidd för att tillämpa dessa tekniker på andra stora föremål i asteroidbältet.

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, form, 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."