Rumsonde Psyche Asteroide Jorden

Romsonde reiser til jordens kjerne

Når sonden Psyche reiser ut i verdensrommet, reiser den samtidig dypt inn i jorden. Asteroidene inneholder nemlig alle de byggesteinene som skapte jorden for 4,5 milliarder år siden. Nå er målet en asteroide som ser akkurat ut som jordens kjerne.

Når sonden Psyche reiser ut i verdensrommet, reiser den samtidig dypt inn i jorden. Asteroidene inneholder nemlig alle de byggesteinene som skapte jorden for 4,5 milliarder år siden. Nå er målet en asteroide som ser akkurat ut som jordens kjerne.

Shutterstock/Peter Rubin/NASA/JPL-Caltech/ASU

I Jules Vernes roman Reisen til jordens indre reiser den halvgale professoren Otto Lidenbrock sammen med sin motvillige nevø Axel og veiviseren Hans inn til jordens sentrum via en islandsk vulkan. Og etter mange farlige eventyr blir trioen spyttet ut på jordoverflaten igjen av en vulkan i Italia.

Det har nå gått mer enn 150 år siden Jules Verne skrev sin berømte sciencefictionroman, men en reise til jordens indre er fortsatt ren fantasi.

Forskere har bare klart å bore tolv kilometer ned under jordens overflate, og vi kommer aldri inn til kjernen av jern og nikkel slik at geologene kan undersøke den på stedet og avsløre nøyaktig hvordan kjernen ble dannet i den unge jorden.

I stedet har forskerne vendt blikket ut mot verdensrommet. Asteroidene inneholder nemlig fortsatt alle de byggesteinene som skapte steinplanetene Merkur, Venus, jorden og Mars.

I løpet av de siste to tiårene har astronomene sendt sonder i bane rundt steinasteroider som har en sammensetning som svarer til jordens mantel. Også karbonasteroider, den typen som sannsynligvis forsynte jorden med både vann og liv, har fått besøk.

Men vi har aldri besøkt en metallasteroide. Det gjør Nasa nå noe med ved å sende sonden Psyche ut på en 2,4 milliarder kilometer lang romreise til en asteroide av samme navn.

Rumsonde Psyche rejseoversigt
© NASA/JPL-Caltech/ASU/Shutterstock

Reisen til Psyche tar over tre år

Psyche-sonden må tilbakelegge 2,4 milliarder kilometer for å komme fram til asteroiden Psyche i asteroidebeltet mellom Mars og Jupiter. En dytt fra Mars slynger sonden ut mot målet.

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.

12 kilometer ned i jorden har forskere boret. Kjernen begynner først på 2885 kilometers dybde.

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.

Asteroidebælte

Da steinplanetene ble dannet, ble restene slynget ut mellom Mars og Jupiter, der over en million asteroider har blitt til det såkalte asteroidebeltet.

© Shutterstock

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.

Rumsonden OSIRIS-REx

Romsonden OSIRIS-REx har tatt prøver av karbonasteroiden Bennu og vender i 2023 tilbake til jorden med 400 gram støv og grus.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

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.

Solsystemets fødsel 3 slags asteroider
© Shutterstock

Asteroidene avslører jordens oppbygning

Solsystemets fødsel etterlot seg tre typer asteroider som er levninger etter planetdannelsen og derfor en slags planetbiter. Hver asteroidetype gir innblikk i en del av jordens oppbygning.

© JAXA

1. Steinasteroider er mantelen fra protoplaneter

Like ved solen smeltet protoplanetene helt og fikk en jernkjerne omgitt av en steinmantel. De fleste protoplaneter ble deretter knust ved kollisjoner, og vanlige steinasteroider har en sammensetning som svarer til jordens mantel.

© NASA/Goddard/University of Arizona

2. Karbonasteroider brakte liv til jorden

Lenger fra solen smeltet ikke protoplanetene. De ble til karbonasteroidene, som trolig har brakt vann og organiske stoffer til jorden. Karbonasteroidene inneholder fortsatt steinplanetenes opprinnelige bygningsmaterialer.

© Peter Rubin/NASA/JPL-Caltech/ASU

3. Metallasteroider ser ut som jordens jernkjerne

Metallasteroider som Psyche kan være jernkjernene fra knuste protoplaneter og dermed miniutgaver av jordens kjerne. Selv om de har størknet, kan de fortsatt inneholde spor av hvordan metallkjernene ble dannet i hjertet av steinplanetene.

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.

277 ganger 223 meter måler den potetformede asteroiden som står for én prosent av massen i asteroidebeltet.

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.

Psyche er som andre asteroider en rest av en protoplanet, men hvordan den fikk sitt nåværende utseende, med en overflate av metall, er usikkert. Forskere har tre teorier, men den første har blitt avvist.

© Peter Rubin/NASA/JPL-Caltech/ASU/Shutterstock

Psyche er en naken planetkjerne

Tidligere mente forskerne at Psyche bestod av nitti prosent metall og måtte være den nakne jernkjernen fra en knust protoplanet. Nye målinger viser imidlertid at asteroiden bare inneholder 30–60 prosent metall, og forskerne har derfor forlatt teorien.

© Doug Bowman/Shutterstock

Asteroiden størknet i klumper

Kanskje ble protoplaneten knust slik at stein og metall smeltet og størknet i klumper. Psyche kan da bestå av steinkrystaller støpt inn i jern akkurat som pallasitter, en type meteoritter. Teorien forklarer imidlertid ikke metallet på overflaten.

© Elena Hartley/Shutterstock

Jernvulkaner dekket overflaten

Ifølge den ledende teorien har Psyche en tynn steinmantel rundt en stor jernkjerne, akkurat som Merkur. For flere milliarder år siden spydde jernvulkaner ut glødende jern og nikkel via sprekker i mantelen og dekket overflaten med metall.

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.

Sondens solpaneler leverer strøm til en ny type ionemotor som for første gang brukes på en lang romreise. De fire motorene sender ut strømmer av xenonatomer som presser farten opp i 200 000 km/t.

© Ken Ikeda Madsen

1. Elektromagnetiske felter driver motoren

Spenningen mellom en positiv elektrode (+), der xenongassen hentes fra, og en negativ (-) utenfor motoren skaper et elektrisk felt gjennom motorkanalen. Fire magnetiske pinner genererer et magnetfelt på tvers av det elektriske feltet.

© Ken Ikeda Madsen

2. Elektroner går i bane rundt et magnetfelt

Elektronene (røde) fra den negative elektroden fanges av magnetfeltet og sirkulerer der xenonet sendes ut. Atomer av edelgassen xenon (blå) tilføres, og det elektriske feltet trekker dem gjennom motorkanalen.

© Ken Ikeda Madsen

3. Xenonioner sparkes ut bakerst

Når xenonatomene (blå) treffer den negative ringen, river den elektroner (røde) bort fra atomkjernene slik at de blir positive, såkalte ioner. Den negative ringen sender dem ut av motoren, og strømmen av ioner driver sonden framover.

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.

Rumsonde Psyche

Sondens måleinstrumenter kan avgjøre om Psyche opprinnelig var jernkjernen i en protoplanet, og om jernvulkaner senere har dekket asteroidens overflate med flytende metall.

© NASA/JPL-Caltech/ASU

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.

85 kilometer fra overflaten. Så nær kommer sonden asteroiden mot slutten av oppdraget.

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.