La surface variée suggère une histoire dynamique, qui pourrait inclure des éruptions métalliques, des impacts d’astéroïdes et un manteau rocheux perdu


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  • Plus tard cette année, la NASA s’apprête à lancer une sonde de la taille d’un court de tennis dans la ceinture d’astéroïdes, une région située entre les orbites de Mars et de Jupiter où les vestiges du système solaire primitif tournent autour du soleil. Une fois à l’intérieur de la ceinture d’astéroïdes, le vaisseau spatial se concentrera sur Psyché, un gros astéroïde riche en métaux qui serait l’ancien noyau d’une planète primitive. La sonde, nommée d’après son astéroïde cible, passera ensuite près de deux ans en orbite et analysera la surface de Psyché pour trouver des indices sur l’évolution des premiers corps planétaires.

    Avant la mission, qui est dirigée par le chercheur principal Lindy Elkins-Tanton ’87, SM ’87, PhD ’02, les scientifiques planétaires du MIT et d’ailleurs ont maintenant fourni un aperçu de ce que le vaisseau spatial Psyche pourrait voir lorsqu’il atteindra sa destination .

    Dans un article paru aujourd’hui dans le Journal of Geophysical Research: Planètes, l’équipe présente les cartes les plus détaillées des propriétés de surface de l’astéroïde à ce jour, basées sur des observations prises par un large éventail de télescopes au sol dans le nord du Chili. Les cartes révèlent de vastes régions riches en métaux balayant la surface de l’astéroïde, ainsi qu’une grande dépression qui semble avoir une texture de surface différente entre l’intérieur et son bord ; cette différence pourrait refléter un cratère rempli de sable plus fin et bordé de matériaux plus rocheux.

    Dans l’ensemble, la surface de Psyché s’est avérée étonnamment variée dans ses propriétés.

    Les nouvelles cartes font allusion à l’histoire de l’astéroïde. Ses régions rocheuses pourraient être des vestiges d’un ancien manteau – de composition similaire à la couche rocheuse la plus externe de la Terre, de Mars et de l’astéroïde Vesta – ou l’empreinte d’impacts passés par des roches spatiales. Enfin, les cratères contenant des matériaux métalliques soutiennent l’idée proposée par des études antérieures selon lesquelles l’astéroïde pourrait avoir connu des éruptions précoces de lave métallique lors du refroidissement de son ancien noyau.

    « La surface de Psyché est très hétérogène », déclare l’auteur principal Saverio Cambioni, boursier postdoctoral distingué Crosby au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. « C’est une surface évoluée, et ces cartes confirment que les astéroïdes riches en métaux sont des mondes intéressants et énigmatiques. C’est une autre raison d’attendre avec impatience que la mission Psyche se rende sur l’astéroïde. »

    Les co-auteurs de Cambioni sont Katherine de Kleer, professeure adjointe de sciences planétaires et d’astronomie à Caltech, et Michael Shepard, professeur de sciences environnementales, géographiques et géologiques à l’Université de Bloomsburg.

    Puissance du télescope

    La surface de Psyché a fait l’objet de nombreux efforts de cartographie antérieurs. Les chercheurs ont observé l’astéroïde à l’aide de divers télescopes pour mesurer la lumière émise par l’astéroïde aux longueurs d’onde infrarouges, qui contiennent des informations sur la composition de la surface de Psyché. Cependant, ces études n’ont pas pu résoudre spatialement les variations de composition sur la surface.

    Cambioni et ses collègues ont plutôt pu voir Psyché plus en détail, à une résolution d’environ 20 miles par pixel, en utilisant la puissance combinée des 66 antennes radio de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) dans le nord du Chili. Chaque antenne d’ALMA mesure la lumière émise par un objet à des longueurs d’onde millimétriques, dans une plage sensible à la température et à certaines propriétés électriques des matériaux de surface.

    « Les signaux des antennes ALMA peuvent être combinés en un signal synthétique équivalent à un télescope d’un diamètre de 16 kilomètres (10 miles) », explique de Kleer. « Plus le télescope est grand, plus la résolution est élevée. »

    Le 19 juin 2019, ALMA a concentré tout son réseau sur Psyché alors qu’il tournait et tournait dans la ceinture d’astéroïdes. De Kleer a collecté des données pendant cette période et les a converties en une carte des émissions thermiques à travers la surface de l’astéroïde, ce que l’équipe a rapporté dans une étude de 2021. Ces mêmes données ont été utilisées par Shepard pour produire le plus récent modèle de forme 3D haute résolution de Psyché, également publié en 2021.

    Pour attraper un match

    Dans la nouvelle étude, Cambioni a effectué des simulations de Psyche pour voir quelles propriétés de surface pourraient mieux correspondre et expliquer les émissions thermiques mesurées. Dans chacun des centaines de scénarios simulés, il a défini la surface de l’astéroïde avec différentes combinaisons de matériaux, telles que des zones de différentes abondances de métaux. Il a modélisé la rotation de l’astéroïde et mesuré comment les matériaux simulés sur l’astéroïde dégageraient des émissions thermiques. Cambioni a ensuite recherché les émissions simulées qui correspondaient le mieux aux émissions réelles mesurées par ALMA. Ce scénario, a-t-il estimé, 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 de propriétés de surface », explique Cambioni.

    L’étude a produit des cartes détaillées des propriétés de surface de Psyché, 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 Psyché est riche en métaux, mais que l’abondance de métaux et de silicates varie sur sa surface. Cela peut être un indice supplémentaire que, au début de sa formation, l’astéroïde peut avoir eu un manteau riche en silicate 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 d' »étangs » de matériaux à grains fins, comme le sable sur Terre, qui se réchauffe rapidement, tandis que les bords du cratère sont composés de matériaux plus rocheux et plus lents à se réchauffer.

    « Des étangs 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 grains fins s’accumulent 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 », explique Simone Marchi, scientifique au Southwest Research Institute et co-investigatrice 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 éventuelle d’hétérogénéités de composition est quelque chose que l’équipe scientifique Psyche est impatiente d’étudier. Suite. »

    Cette recherche a été soutenue par la bourse postdoctorale distinguée EAPS Crosby et en partie par la Fondation Heising-Simons.

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