Meget porøse klipper er ansvarlige for asteroiden Bennus overraskende forrevne overflade

Forskere troede, at asteroiden Bennus overflade ville være som en sandstrand, rigeligt med fint sand og småsten, som ville have været perfekt til at indsamle prøver. Tidligere teleskopobservationer fra Jordens kredsløb havde antydet tilstedeværelsen af ​​store skår af finkornet materiale kaldet fin regolith, der er mindre end et par centimeter.

Men da rumfartøjet fra NASA's University of Arizona-ledede OSIRIS-REx asteroideprøve-returmission ankom til Bennu i slutningen af ​​2018, missionsholdet så en overflade dækket af kampesten. Den mystiske mangel på fin regolith blev endnu mere overraskende, da missionsforskere observerede beviser på processer, der er i stand til at slibe kampesten til fine regolith.

Ny forskning, udgivet i Natur og ledet af missionsteammedlem Saverio Cambioni, brugt maskinlæring og overfladetemperaturdata til at løse mysteriet. Cambioni var kandidatstuderende ved UArizona Lunar and Planetary Laboratory da forskningen blev udført og er nu en postdoc-forsker i Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber ved Massachusetts Institute of Technology. Han og hans kolleger fandt i sidste ende ud af, at Bennus meget porøse klipper er ansvarlige for overfladens overraskende mangel på fin regolit.

"REx'en i OSIRIS-REx står for Regolith Explorer, så kortlægning og karakterisering af overfladen af ​​asteroiden var et hovedmål, " sagde undersøgelsens medforfatter og OSIRIS-REx hovedefterforsker Dante Lauretta, en Regents Professor i Planetariske Videnskaber ved University of Arizona. "Rumfartøjet indsamlede data i meget høj opløsning for hele Bennus overflade, hvilket var nede på 3 millimeter pr. pixel nogle steder. Ud over videnskabelig interesse, manglen på fin regolith blev en udfordring for selve missionen, fordi rumfartøjet er designet til at indsamle sådant materiale."

For at indsamle en prøve for at vende tilbage til Jorden, OSIRIS-REx-rumfartøjet blev bygget til at navigere inden for et område på Bennu, der er omtrent på størrelse med en parkeringsplads med 100 pladser. Imidlertid, på grund af talrige kampesten, det sikre prøveudtagningssted blev reduceret til cirka fem parkeringspladser. Rumfartøjet fik med succes kontakt med Bennu for at indsamle prøvemateriale i oktober 2020.

En stenet start og solide svar

"Da de første billeder af Bennu kom ind, vi noterede nogle områder, hvor opløsningen ikke var høj nok til at se, om der var små sten eller fine regolith. Vi begyndte at bruge vores maskinlæringstilgang til at adskille fine regolit fra klipper ved hjælp af termisk emission (infrarød) data, " sagde Cambioni.

Den termiske emission fra fin regolit er forskellig fra den fra større sten, fordi førstnævnte er styret af størrelsen af ​​dets partikler, mens sidstnævnte styres af stenporøsitet. Holdet byggede først et bibliotek med eksempler på termiske emissioner forbundet med fin regolit blandet i forskellige proportioner med sten af ​​forskellig porøsitet. Næste, de brugte maskinlæringsteknikker til at lære en computer at "forbinde prikkerne" mellem eksemplerne. Derefter, de brugte maskinlæringssoftwaren til at analysere den termiske emission fra 122 områder på Bennus overflade observeret både om dagen og om natten.

"Kun en maskinlæringsalgoritme kunne effektivt udforske et så stort datasæt, " sagde Cambioni.

Da dataanalysen var afsluttet, Cambioni og hans samarbejdspartnere fandt noget overraskende:Den fine regolit var ikke tilfældigt fordelt på Bennu, men var i stedet lavere, hvor klipperne var mere porøse, som var på det meste af overfladen.

Holdet konkluderede, at meget lidt fin regolit produceres af Bennus meget porøse klipper, fordi disse klipper er komprimeret snarere end fragmenteret af meteoroid-nedslag. Som en svamp, hulrummene i klipperne afbøder slaget fra indkommende meteorer. Disse resultater er også i overensstemmelse med laboratorieforsøg fra andre forskningsgrupper.

"I bund og grund, en stor del af energien fra anslaget går til at knuse porerne, hvilket begrænser fragmenteringen af ​​klipperne og produktionen af ​​ny fin regolit, " sagde undersøgelsens medforfatter Chrysa Avdellidou, en postdoc-forsker ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS)-Lagrange Laboratory ved Côte d'Azur-observatoriet og universitetet i Frankrig.

Derudover revner forårsaget af opvarmning og afkøling af Bennus klipper, når asteroiden roterer gennem dag og nat, forløber langsommere i porøse klipper end i tættere klipper, yderligere frustrerende produktionen af ​​fine regolit.

"Når OSIRIS-REx leverer sin prøve af Bennu (til Jorden) i september 2023, forskere vil være i stand til at studere prøverne i detaljer, " sagde Jason Dworkin, OSIRIS-REx-projektforsker ved NASA Goddard Space Flight Center. "Dette inkluderer test af klippernes fysiske egenskaber for at verificere denne undersøgelse."

Andre missioner har beviser for at bekræfte holdets resultater. Det japanske luftrumsudforskningsagenturs Hayabusa 2-mission til Ryugu, en kulholdig asteroide som Bennu, fandt, at Ryugu også mangler fin regolit og har meget porøse sten. Omvendt JAXA's Hayabusa-mission til asteroiden Itokawa i 2005 afslørede rigelige fine regolith på overfladen af ​​Itokawa, en S-type asteroide med sten af ​​en anden sammensætning end Bennu og Ryugu. En tidligere undersøgelse foretaget af Cambioni og hans kolleger gav bevis for, at Itokawas klipper er mindre porøse end Bennus og Ryugus, ved hjælp af observationer fra Jorden.

"I årtier, astronomer anfægtede, at små, Jordnære asteroider kunne have nøgne klippeoverflader. Det mest uomtvistelige bevis på, at disse små asteroider kunne have en betydelig fin regolith, dukkede op, da rumfartøjer besøgte S-type asteroiderne Eros og Itokawa i 2000'erne og fandt fine regolith på deres overflader, " sagde studie medforfatter Marco Delbo, forskningsdirektør hos CNRS, også på Lagrange-laboratoriet.

Holdet forudser, at store dele af fin regolit burde være ualmindeligt på kulholdige asteroider, som er de mest almindelige af alle asteroidetyper og menes at have højporøse sten som Bennu. I modsætning, terræner rigt på fine regolith bør være almindelige på S-type asteroider, som er den næstmest almindelige gruppe i solsystemet, og menes at have tættere, mindre porøse sten end kulholdige asteroider.

"Dette er en vigtig brik i puslespillet om, hvad der driver mangfoldigheden af ​​asteroidernes overflader. Asteroider menes at være fossiler af solsystemet, så forståelsen af ​​den udvikling, de har gennemgået i tiden, er afgørende for at forstå, hvordan solsystemet dannedes og udviklede sig, " sagde Cambioni. "Nu hvor vi kender denne grundlæggende forskel mellem kulholdige og S-type asteroider, fremtidige hold kan bedre forberede prøveindsamlingsmissioner afhængigt af arten af ​​målasteroiden."

University of Arizona leder OSIRIS-REx videnskabsteamet og missionens videnskabelige observationsplanlægning og databehandling. NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, leverer overordnet missionsledelse, systemteknik, og sikkerheds- og missionsgarantien for OSIRIS-REx. Lockheed Martin Space i Littleton, Colorado, byggede rumfartøjet og sørger for flyveoperationer. Goddard og KinetX Aerospace er ansvarlige for at navigere OSIRIS-REx rumfartøjet. OSIRIS-REx er den tredje mission i NASAs New Frontiers Program, administreret af NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, for agenturets Science Mission Directorate i Washington, D.C.