Forskare trodde att asteroiden Bennus yta skulle vara som en sandstrand, rikligt med fin sand och småsten, som skulle ha varit perfekt för att samla in prover. Tidigare teleskopobservationer från jordens omloppsbana hade föreslagit närvaron av stora strängar av finkornigt material som kallas fin regolit som är mindre än några centimeter.

Men när rymdskeppet från NASA:s University of Arizona-ledda OSIRIS-REx asteroidprovåtervändandeuppdrag anlände till Bennu i slutet av 2018, uppdragsgruppen såg en yta täckt av stenblock. Den mystiska bristen på fin regolit blev ännu mer överraskande när missionsforskare observerade bevis på processer som kan slipa stenblock till fina regoliter.

Ny forskning, publiceras i Natur och leds av uppdragsmedlemmen Saverio Cambioni, använde maskininlärning och yttemperaturdata för att lösa mysteriet. Cambioni var doktorand vid UArizona Lunar and Planetary Laboratory när forskningen genomfördes och är nu en postdoktor vid Department of Earth, Atmosfäriska och planetära vetenskaper vid Massachusetts Institute of Technology. Han och hans kollegor fann till slut att Bennus mycket porösa bergarter är ansvariga för ytans överraskande brist på fin regolit.

"REx" i OSIRIS-REx står för Regolith Explorer, så att kartlägga och karakterisera asteroidens yta var ett huvudmål, " sa studiens medförfattare och OSIRIS-REx huvudutredare Dante Lauretta, en Regents Professor of Planetary Sciences vid University of Arizona. "Rymdfarkosten samlade in mycket högupplöst data för Bennus hela yta, vilket var nere på 3 millimeter per pixel på vissa platser. Utöver vetenskapligt intresse, avsaknaden av fin regolit blev en utmaning för själva uppdraget, eftersom rymdfarkosten var designad för att samla in sådant material."

För att samla ett prov för att återvända till jorden, rymdfarkosten OSIRIS-REx byggdes för att navigera inom ett område på Bennu som är ungefär lika stort som en parkeringsplats med 100 platser. Dock, på grund av många stenblock, den säkra provtagningsplatsen reducerades till ungefär storleken på fem parkeringsplatser. Rymdfarkosten tog framgångsrikt kontakt med Bennu för att samla in provmaterial i oktober 2020.

En stenig start och gedigna svar

"När de första bilderna av Bennu kom in, vi noterade några områden där upplösningen inte var tillräckligt hög för att se om det fanns små stenar eller fina regoliter. Vi började använda vår maskininlärningsmetod för att separera fin regolit från stenar med hjälp av termisk emission (infraröd) data, sa Cambioni.

Den termiska emissionen från fin regolit skiljer sig från den från större stenar, eftersom den förstnämnda styrs av storleken på dess partiklar, medan den senare styrs av bergporositet. Teamet byggde först ett bibliotek med exempel på termiska utsläpp associerade med fin regolit blandad i olika proportioner med stenar av olika porositet. Nästa, de använde maskininlärningstekniker för att lära en dator hur man "ansluter prickarna" mellan exemplen. Sedan, de använde maskininlärningsmjukvaran för att analysera den termiska emissionen från 122 områden på Bennus yta som observerats både under dagen och natten.

"Endast en maskininlärningsalgoritm kan effektivt utforska en datauppsättning som är så här stor, sa Cambioni.

När dataanalysen var klar, Cambioni och hans medarbetare fann något överraskande:den fina regoliten fördelades inte slumpmässigt på Bennu utan var istället lägre där stenarna var mer porösa, som fanns på större delen av ytan.

Teamet drog slutsatsen att mycket lite fin regolit produceras av Bennus mycket porösa bergarter eftersom dessa stenar komprimeras snarare än fragmenteras av meteoroider. Som en svamp, tomrummen i stenar dämpar slaget från inkommande meteorer. Dessa fynd stämmer också överens med laboratorieexperiment från andra forskargrupper.

"I grund och botten, en stor del av energin från nedslaget går till att krossa porerna, vilket begränsar fragmenteringen av stenarna och produktionen av ny fin regolit, " sade studiens medförfattare Chrysa Avdellidou, en postdoktor vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS)–Lagrange Laboratory vid Côte d'Azur-observatoriet och universitetet i Frankrike.

Dessutom, sprickbildning orsakad av uppvärmning och nedkylning av Bennus stenar när asteroiden roterar genom dagen och natten går långsammare i porösa stenar än i tätare stenar, ytterligare frustrerande produktionen av fin regolit.

"När OSIRIS-REx levererar sitt prov av Bennu (till jorden) i september 2023, forskare kommer att kunna studera proverna i detalj, sa Jason Dworkin, OSIRIS-REx projektforskare vid NASA Goddard Space Flight Center. "Detta inkluderar att testa de fysiska egenskaperna hos stenarna för att verifiera denna studie."

Andra uppdrag har bevis för att bekräfta teamets resultat. Japanese Aerospace Exploration Agencys Hayabusa 2-uppdrag till Ryugu, en kolhaltig asteroid som Bennu, fann att Ryugu också saknar fin regolit och har mycket porösa bergarter. Omvänt, JAXAs Hayabusa-uppdrag till asteroiden Itokawa 2005 avslöjade rikligt med fin regolit på ytan av Itokawa, en asteroid av S-typ med stenar av en annan sammansättning än Bennu och Ryugu. En tidigare studie av Cambioni och hans kollegor gav bevis för att Itokawas stenar är mindre porösa än Bennus och Ryugus, med hjälp av observationer från jorden.

"I årtionden, astronomer bestred att små, Jordnära asteroider kan ha kala stenytor. Det mest obestridliga beviset på att dessa små asteroider kunde ha en betydande fin regolit uppstod när rymdfarkoster besökte S-typ asteroiderna Eros och Itokawa på 2000-talet och hittade fina regoliter på deras ytor, " sa studiens medförfattare Marco Delbo, forskningschef på CNRS, även på Lagrange-laboratoriet.

Teamet förutspår att stora sträckor av fin regolit borde vara ovanligt på kolhaltiga asteroider, som är de vanligaste av alla asteroidtyper och tros ha högporösa bergarter som Bennu. I kontrast, terräng rik på fina regoliter bör vara vanliga på asteroider av S-typ, som är den näst vanligaste gruppen i solsystemet, och tros ha tätare, mindre porösa stenar än kolhaltiga asteroider.

"Detta är en viktig bit i pusslet om vad som driver mångfalden av asteroidernas ytor. Asteroider anses vara fossiler av solsystemet, så att förstå evolutionen de har genomgått i tiden är avgörande för att förstå hur solsystemet bildades och utvecklades, ", sa Cambioni. "Nu när vi känner till denna grundläggande skillnad mellan kolhaltiga och S-typ asteroider, framtida lag kan bättre förbereda provinsamlingsuppdrag beroende på arten av målasteroiden."

University of Arizona leder OSIRIS-REx vetenskapsteam och uppdragets vetenskapsobservationsplanering och databearbetning. NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, tillhandahåller övergripande uppdragsledning, systemteknik, och säkerhets- och uppdragsgarantin för OSIRIS-REx. Lockheed Martin Space i Littleton, Colorado, byggde rymdfarkosten och tillhandahåller flygoperationer. Goddard och KinetX Aerospace är ansvariga för navigeringen av rymdfarkosten OSIRIS-REx. OSIRIS-REx är det tredje uppdraget i NASA:s New Frontiers Program, förvaltas av NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, för byråns Science Mission Directorate i Washington, D.C.