小行星Psyche多變的表面表明它有一段動態的歷史，其中可能包括金屬噴發、小行星的震動撞擊和失去岩石的地幔。今年晚些時候，NASA將向小行星帶–一個位於火星和木星軌道之間的區域，早期太陽系的殘餘物在這裡圍繞太陽運行–發射一個網球場大小的探測器。
一旦進入小行星帶，該航天器將鎖定Psyche。這是一個大型的、富含金屬的小行星，被認為是一個早期行星的古老核心。該探測器以其小行星目標命名，然後將用近兩年的時間繞行並分析Psyche的表面以尋找早期行星體如何演變的線索。
在這項由主要研究人員Lindy Elkins-Tanton ’87, SM ’87, PhD ’02領導的任務之前，麻省理工學院和其他地方的行星科學家現在已經提供了Psyche航天器在到達目的地時可能看到的情況的偷窺。
在6月15日發表於《Journal of Geophysical Research: Planets》上的一篇論文中，行星科學小組根據智利北部大型地面望遠鏡陣列的觀測結果展示了迄今為止該小行星表面特性的最詳細地圖。這些地圖顯示了橫掃小行星表面的富含金屬的巨大區域及一個似乎在內部和邊緣之間有不同表面紋理的大凹陷；這種差異可能反映了一個充滿較細的沙子和邊緣有較多岩石材料的火山口。
總體來說，Psyche的表面被發現具有令人驚訝的不同屬性。
新地圖暗示了這顆小行星的歷史。它的岩石區可能是古代地幔的遺迹–跟地球、火星和小行星灶神星最外層的岩石成分相似–或是過去被太空岩石撞擊的印記。最後，含有金屬物質的隕石坑支持之前研究提出的觀點，即該小行星在其古老的核心冷卻時可能經歷了早期的金屬熔岩噴發。
“Psyche的表面是非常異質的，”這項研究的論文第一作者Saverio Cambioni說道，“這是一個進化的表面，這些地圖證實富含金屬的小行星是有趣的、神秘的世界。這是期待Psyche任務前往小行星的另一個原因。”
這一研究的論文共同作者還包括加州理工學院行星科學和天文學助理教授Katherine de Kleer、布魯姆斯堡大學環境、地理和地質科學教授Michael Shepard。
望遠鏡的力量
Psyche的表面一直是以前眾多測繪工作的重點。研究人員已經使用各種望遠鏡觀察了這顆小行星以測量小行星發出的紅外波長的光線，這些光線帶有關於Psyche表面成分的信息。然而這些研究無法在空間上解決表面成分的變化。
相反，Cambioni和他的同事利用智利北部阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)的66根無線電天線的綜合力量，然後能以每像素約20英里的分辨率看到Psyche的更多細節。ALMA的每根天線都能測量天梯發出的毫米波長的光，在這個範圍內，其對溫度和表面材料的某些電特性非常敏感。
“ALMA天線的信號可以組合成一個合成信號，相當於一個直徑為16公里的望遠鏡，”de Kleer說道，“望遠鏡越大，分辨率就越高。”
2019年6月19日，ALMA將其整個陣列聚焦於Psyche，因為它在小行星帶內運行和旋轉。De Kleer在此期間收集了數據並將其轉換為整個小行星表面的熱輻射圖，該團隊在2021年的一項研究中報告了這些數據。這些數據還被Shepard用來製作Psyche最新的高分辨率三維形狀模型，據悉，它們也是在2021年發表的。
抓住一個匹配點
在這項新研究中，Cambioni對Psyche進行了模擬以了解哪些表面特性可能最符合併解釋所測量的熱輻射。在數以百計的模擬場景中，他在小行星的表面設置了不同的材料組合，如不同金屬丰度的區域。他模擬了小行星的旋轉並測量了小行星上的模擬材料將如何發出熱輻射。然後，Cambioni尋找跟ALMA測量的實際輻射最匹配的模擬輻射。他推斷，這種情況將揭示出小行星表面材料的最可能的地圖。
“我們逐個區域進行這些模擬，這樣我們就可以捕捉到表面屬性的差異，”Cambioni說道。
這項研究產生了Psyche表面屬性的詳細地圖，其顯示出這顆小行星的外牆可能被大量不同的材料所覆蓋。研究人員指出，總的來說，Psyche的表面富含金屬，但金屬和硅酸鹽的丰度在其表面上則有所不同。這可能是一個進一步的暗示，即在其形成的早期，這顆小行星可能有一個富含硅酸鹽的地幔但後來卻消失了。
他們還發現，隨着小行星的旋轉，一個大凹陷–可能是一個隕石坑–底部的物質的溫度變化比沿邊緣的物質快得多。這表明隕石坑底部覆蓋著細粒物質的“池塘”，就像地球上的沙子一樣，它們升溫很快，而隕石坑邊緣則由岩石組成、升溫較慢。
Cambioni表示：“在小型小行星上已經看到了細粒材料池，其重力低到足以讓撞擊震動表面並導致更細的材料彙集。但Psyche是一個大的天體，所以如果細粒物質積聚在凹陷的底部，這很有趣，而且還有點神秘。”
“這些數據顯示，Psyche的表面是異質的，可能有顯著的成分變化，”西南研究所的工作人員科學家和NASA Psyche任務的共同調查員Simone Marchi說道，“Psyche任務的主要目標之一是利用其伽馬射線和中子光譜儀及彩色成像儀來研究小行星表面的組成。因此，可能存在的成分異質性是Psyche科學小組渴望更多研究的東西。”據悉，Marchi未參與當前的研究。