Romsonde reiser til jordens kjerne

Asteroiden Psyche består først og fremst av metall, og derfor mener astronomer at den kan være kjernen fra en protoplanet – en miniplanet – som ble knust da den kolliderte med et annet himmellegeme.

Så siden vi ikke – som den fiktive professor Lidenbrock – kan reise inn til jordens indre, gir reisen til Psyche den så langt beste muligheten til å studere en jernkjerne på kloss hold.

Solsystemet var et skytefelt

Psyche er en kjempe med form som en potet. Metallasteroiden har en lengde på 277 kilometer og en gjennomsnittlig bredde på 223 kilometer, og den er så tung at den inneholder én prosent av all massen i asteroidebeltet mellom Mars og Jupiter, som er hjemsted for over en million asteroider.

Asteroidene er rester fra solsystemets fødsel, og for å forstå hvordan de ulike typene av asteroider i dag avspeiler jordens indre, må vi reise tilbake i tid til da solsystemet ble dannet.

Solen ble dannet for 4,6 milliarder år siden av en sky av støv og gass som kollapset til en stjerne. Restene av skyen endte i en skive som roterte rundt solens ekvator. Her ble støvet først samlet til småstein, så til større kampesteiner og deretter i protoplaneter som kunne være like store som månen vår.

Nærmest solen ble protoplanetene både varmet opp utenfra av sollyset og fra innsiden av radioaktiv nedbryting, slik at de smeltet fullstendig. Det fikk tunge metaller som jern og nikkel til å bevege seg inn mot sentrum og danne en flytende jernkjerne som ble omgitt av en mantel av lettere steinmasser.

Lenger ute i solsystemet kunne protoplanetene sende sin radioaktive varme ut i det kalde rommet. Derfor smeltet de ikke, og de såkalte karbonasteroidene som stammer fra disse protoplanetene, inneholder steinplanetenes mest opprinnelige byggesteiner i form av løse masser av grus og stein.

I begynnelsen dundret protoplanetene i det indre solsystemet inn i hverandre igjen og igjen, og de største protoplanetene vokste ved å tiltrekke seg restene etter sammenstøtene.

For 4,56 milliarder år siden hadde de fire indre steinplanetene blitt dannet og hadde stort sett ryddet banene sine for mindre protoplaneter og restene deres i form av asteroider. Denne materien ble enten slynget rett inn i solen eller ut i asteroidebeltet mellom Mars og Jupiter.

I den nærmeste delen av asteroidebeltet er det mest steinasteroider, som stammer fra mantelen til knuste protoplaneter, og de var først til å få besøk av sonder fra jorden.

I 2005 gikk den japanske sonden Hayabusa i bane rundt steinasteroiden Itokawa, og fem år senere vendte sonden hjem med en mikroskopisk prøve. Analysene bekreftet at steinasteroider er satt sammen av de samme mineralene som jordens mantel.

I 2020 slapp sonden Hayabusa-2 ned en kapsel med 5,4 gram asteroidestøv i en ørken i Australia. Prøven var hentet lenger ute i asteroidebeltet fra karbonasteroiden Ryugu, og til neste år vender den amerikanske sonden OSIRIS-REx tilbake med 400 gram støv og grus fra en annen karbonasteroide, Bennu.

Observasjonene av Hayabusa-2 og Ryugu viste at de protoplanetene som karbonasteroidene er rester av, inneholder store mengder vann, og særlig Bennus overflate inneholder mye organiske stoffer.

Forskerne mener derfor at vann og kimene til livet på jorden kan stamme fra nedslag av karbonasteroider.

Jordens kjerne er utilgjengelig

Ved å studere asteroidene er forskerne altså i full gang med å utforske de opprinnelige byggesteinene som dannet jordens skorpe og mantel.

Men parallellen til jordens indre jernkjerne, metallasteroidene, har fortsatt ikke fått besøk av en sonde.

Det er i gjennomsnitt 6371 kilometer fra jordoverflaten inn til jordens sentrum, og kjernen begynner på 2885 kilometers dybde. Den ytre kjernen består først og fremst av flytende jern og nikkel, som takket være jordrotasjonen genererer det beskyttende magnetfeltet vårt, mens den indre kjernen består av fast metall på grunn av det enorme trykket.

Kjernen har så langt bare kunnet undersøkes indirekte via seismiske målinger, og derfor er planetforskerne ekstremt interesserte i å finstudere den store metallasteroiden Psyche.

Asteroiden kan nemlig være en jernkjerne fra en knust protoplanet og inneholde en skattkiste av informasjon om hvordan jorden og de tre andre steinplanetene – Merkur, Venus og Mars – fikk jernkjernene sine i solsystemets barndom.

Det skjedde ifølge teorien på samme måte som i protoplanetene, ved at steinplanetenes indre smeltet før de tunge metallene beveget seg inn mot kjernen. Og metallasteroiden kan avsløre detaljer om den prosessen som det ikke er mulig å undersøke på jorden.

Psyche blir mer mystisk

Da Nasa ga grønt lys for Psyche-oppdraget i 2017, hadde allerede planetforskerne i et par tiår vært overbevist om at den store metallasteroiden var en naken metallkjerne fra en knust protoplanet.

Forskerne mente nemlig at nitti prosent av asteroidens masse var rent metall. Og det var det gode argumenter for.

Først og fremst reflekterer Psyches overflate radarbølger mye bedre enn både steinasteroider og karbonasteroider, og det viser at overflaten først og fremst består av jern og nikkel, akkurat som jordens kjerne.

Men i fjor sprakk det enkle bildet da Lauri Siltala ved universitetet i Helsingfors og Mikael Granvik ved universitetet i Luleå i Sverige offentliggjorde målinger av ti mindre asteroider som kom nær den store metallasteroiden i årene mellom 1974 og 2019.

Møtet med tungvekteren endret de små asteroidenes baner, men ikke så mye som det som ville ha vært tilfellet hvis Psyche var en massiv jernklump.

De to planetforskerne beregnet nå asteroidens tetthet til 3,9 gram per kubikkcentimeter, bare halvparten av tettheten til jern. Det tyder på at bare mellom 30 og 60 prosent av Psyches masse består av jern og nikkel.

Derfor har forskere nå framsatt nye teorier om Psyches opprinnelse og utvikling.

Den ledende teorien går ut på at metallkjernen fra en knust protoplanet trakk til seg stein og grus fra den sønderslåtte mantelen og dermed fikk en tynn skorpe av stein og metall som raskt størknet.

Jernvulkaner fra den fortsatt glovarme metallkjernen spydde deretter strømmer av flytende jern og nikkel ut gjennom revner i skorpen. Og fordi smeltet metall er tyntflytende, spredte metallene seg over store deler av overflaten.

Prosessen endte ved at kulden fra verdensrommet avkjølte metallasteroiden utenfra og innover, helt til den flytende metallkjernen også størknet.

Teorien om jernvulkanene kan forklare hvorfor store områder på asteroidens overflate er dekket av rent metall. Forklaringen er imidlertid spekulativ siden forskerne fortsatt ikke vet sikkert om jernvulkaner i det hele tatt eksisterer.

Sonden vil løse Psyches gåte

Psyche skal sendes opp med den største SpaceX-raketten, Falcon Heavy. Det presise tidspunktet er ikke fastlagt, men det kan bli i juli eller september 2023.

Reisen til Psyche hadde ikke vært mulig uten en ny type ionemotor, en såkalt Hall-motor, som utnytter drivstoffet, edelgassen xenon, ekstremt effektivt. Derfor er en tank med bare 922 kilo gass nok til hele turen på 2,4 milliarder kilometer og den senere banen rundt metallasteroiden.

Hvis sonden hadde blitt utstyrt med en tradisjonell ionemotor, måtte den ha hatt med seg fem ganger så mye drivstoff, og prisen på 1 milliard dollar ville også ha blitt femdoblet.

Gåten om Psyches opphav og oppbygning har gode sjanser for å bli oppklart når sonden tre og et halvt år etter oppskytingen går i bane rundt metallasteroiden.

Sonden tar med seg tre vitenskapelige instrumenter og utnytter dessuten radiokommunikasjonen med jorden til å beregne massefordelingen i asteroiden.

Det skjer via tyngdemålinger som er basert på at fordelingen av masse i Psyches indre vil påvirke sondens bane underveis, noe som blir synlig i radiosignalene.

Målingene vil avsløre om massen er konsentrert i en tung kjerne av jern og nikkel, omgitt av lettere steinmasser, slik forskerne antar.

Sondens magnetometer skal oppklare om Psyche er magnetisert. I så fall beviser det at metallasteroiden er skapt som en jernkjerne i en tidligere protoplanet, for hvis flytende jern sirkulerte rundt i kjernen på grunn av miniplanetens rotasjon og genererte et magnetfelt, ble feltet frosset inne i magnetiske partikler i asteroiden da den størknet.

I så fall vil vi vite at protoplaneten har inneholdt en miniutgave av jordens kjerne.

Sondens kamera skal ikke bare fotografere Psyche fra kloss hold, men også måle ultrafiolett og nærinfrarød stråling fra overflaten. Hvis den nakne metallkjernen trakk til seg stein og grus fra restene av mantelen til den knuste protoplaneten og fikk en tynn skorpe av stein, vil målingene avsløre steinmineralenes art.

Observasjonene vil også oppklare om jernvulkaner senere dekket deler av overflaten med flytende metall.

Sonden skal gå i bane rundt Psyche i 21 måneder, først 700 kilometer unna og så nærmere og nærmere.

Når sonden ender i en bane bare 85 kilometer over overflaten, kommer forskerne nærmere jordens kjerne – eller noe som ligner – enn vi noen gang har vært før. Til sammenligning er avstanden fra jordens overflate inn til kjernen 2800 kilometer større.

Studiene vil derfor revolusjonere kunnskapen vår om hvordan jorden og de andre steinplanetene ble dannet og fikk metallkjernene sine i solsystemets barndom.

Så selv om vi ikke er i stand til å reise dypt ned i jordens indre, som Jules Vernes fiktive professor Lidenbrock, kan forskerne likevel undersøke planetens oppbygning i detalj. Reisen går bare motsatt vei – ut i verdensrommet.