Rymdsond Psyche asteroid jorden

Rymdsond färdas till jordens kärna

När sonden Psyche sänds ut i rymden beger den sig samtidigt långt ner i marken. Asteroiderna innehåller nämligen alla de byggstenar som jorden skapades av för 4,5 miljarder år sedan. Nu är målet en asteroid som är till förväxling lik jordens kärna.

När sonden Psyche sänds ut i rymden beger den sig samtidigt långt ner i marken. Asteroiderna innehåller nämligen alla de byggstenar som jorden skapades av för 4,5 miljarder år sedan. Nu är målet en asteroid som är till förväxling lik jordens kärna.

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

I Jules Vernes roman Till jordens medelpunkt färdas den smått galne professorn Otto Lidenbrock tillsammans med sin motvillige brorson Axel och guiden Hans till jordens medelpunkt via en isländsk vulkan. Efter många farliga äventyr slungas trion till slut ut på jordytan igen av en vulkan i Italien.

Det har nu gått över 150 år sedan Jules Verne skrev sin berömda science fiction-roman, men en resa till jordens inre är fortfarande ren och skär fantasi.

Vi har inte lyckats borra mer än tolv kilometer ner i marken och vi kommer aldrig att nå kärnan av järn och nickel, så att geologerna kan undersöka den och ta reda på exakt hur den en gång bildades.

I stället har forskarna riktat blicken mot rymden. Asteroiderna innehåller nämligen fortfarande alla de byggstenar som skapade stenplaneterna Merkurius, Venus, jorden och Mars.

Under de två senaste årtiondena har astronomerna sänt upp sonder i omloppsbana runt stenasteroider, som har en sammansättning motsvarande jordens mantel. Även de kolasteroider som sannolikt försåg jorden med både vatten och liv har fått besök.

Någon metallasteroid har vi dock ännu aldrig besökt. Det ska nu Nasa råda bot på genom att sända sonden Psyche på en 2,4 miljarder kilometer lång rymdfärd till en asteroid med samma namn.

Rymdsonden Psyche färdplan
© NASA/JPL-Caltech/ASU/Shutterstock

Resan till Psyche tar över tre år

Sonden Psyche behöver tillryggalägga 2,4 miljarder kilometer för att nå fram till asteroiden Psyche i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter. En knuff från Mars slungar iväg sonden mot sitt mål.

Asteroiden Psyche består huvudsakligen av metall, vilket har fått astronomerna att tro att den kan vara kärnan från en miniplanet, en så kallad protoplanet, som slogs loss när den kolliderade med en annan protoplanet.

Eftersom vi inte likt fiktionens professor Lidenbrock kan resa till jordens medelpunkt, utgör sonden som färdas till Psyche vår hittills bästa chans att studera en järnkärna på nära håll.

Solsystemet var en skjutbana

Psyche är en metallasteroid formad som en potatis. Den är 277 kilometer lång och har en genomsnittlig bredd på 223 kilometer. Jätten är så tung att den innehåller en procent av all massa i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter, som består av över en miljon asteroider.

Asteroiderna är rester från solsystemets uppkomst. För att förstå hur de olika typerna av asteroider i dag motsvarar jordens inre måste vi färdas tillbaka i tiden till solsystemets födelse.

Solen bildades för 4,6 miljarder år sedan av ett moln av damm och gas, som kollapsade till en stjärna. Resterna av molnet hamnade i en skiva som roterade runt solens ekvator. Där samlades dammet först som småstenar, sedan som större jättestenar och därefter som protoplaneter, som kunde vara stora som månen.

12 kilometer ner i marken är det djupaste forskare har borrat. Kärnan börjar vid 2 885 kilometers djup.

Närmast solen värmdes protoplaneterna både utifrån av solljuset och inifrån av radioaktivt sönderfall, vilket fick de små planeterna att smälta. Det fick tunga metaller som järn och nickel att röra sig mot mitten och bilda en flytande kärna av järn, som omgavs av en mantel av lättare smält sten.

Längre ut i solsystemet sände protoplaneterna ut sin radioaktiva värme i den kalla rymden, vilket gjorde att de inte smälte. De så kallade kolasteroiderna, som kommer från sådana protoplaneter, innehåller stenplaneternas mest ursprungliga byggstenar, i form av löst sammanhållet grus och stenar.

I början kolliderade protoplaneterna i inre solsystemet med varandra gång på gång, varefter de största protoplaneterna växte genom att attrahera rester från kollisionerna.

För 4,56 miljarder år sedan hade de fyra inre stenplaneterna bildats och i princip tömt sina banor på mindre protoplaneter och deras rester i form av asteroider, som slungades antingen rakt in i solen eller ut i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter.

Asteroidbältet

När stenplaneterna hade bildats slungades resterna ut mellan Mars och Jupiter, där över en miljon asteroider nu kretsar i det så kallade asteroidbältet.

© Shutterstock

I den del av asteroidbältet som befinner sig närmast jorden finns stenasteroider, som huvudsakligen kommer från krossade protoplaneters mantel. De var de första som besöktes av en sond från jorden.

År 2005 placerades den japanska sonden Hayabusa i omloppsbana runt stenasteroiden Itokawa för att fem år senare återvända till jorden med ett mikroskopiskt prov. Analyserna bekräftade att stenasteroider består av samma mineraler som jordens mantel.

År 2020 släppte sonden Hayabusa2 ner en kapsel med 5,4 gram asteroiddamm i en öken i Australien. Provet hade tagits längre ut i asteroidbältet, på kolasteroiden Ryugu. Nästa år återvänder den amerikanska sonden OSIRIS-REx med 400 gram damm och grus från Bennu, en annan kolasteroid.

Rymdsonden OSIRIS-REx

Rymdsonden OSIRIS-REx, som har tagit prover från kolasteroiden Bennu, kommer år 2023 att återvända till jorden med 400 gram damm och grus.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

De observationer som gjordes medan Hayabusa2 och Ryugu låg i omloppsbana visade att de protoplaneter som kolasteroiderna är rester av innehöll stora mängder vatten, och i synnerhet Bennus yta är rik på organiska ämnen.

Forskarna tror därför att jordens vatten och fröna till livet kan ha kommit från just nedslag av kolasteroider.

Jordens kärna är omöjlig att nå

Genom att studera asteroiderna är forskarna i full färd med att utforska de ursprungliga byggstenar som en gång bildade jordens skorpa och mantel.

Pendangen till jordens inre kärna av järn, metallasteroiderna, har dock ännu inte besökts av någon sond.

Det är i genomsnitt 6 371 kilometer från markytan till jordens medelpunkt och själva kärnan börjar vid 2 885 kilometers djup. Den yttre kärnan består huvudsakligen av flytande järn och nickel, som genom sin rotation skapar planetens skyddande magnetfält, medan den inre kärnan utgörs av fast metall, detta på grund av det enormt höga trycket.

Kärnan har tills vidare bara kunnat studeras indirekt med seismiska mätningar. Dess otillgänglighet gör att planetforskarna är väldigt intresserade av att studera den stora metallasteroiden Psyche på nära håll.

Asteroiden kan nämligen vara en järnkärna från en krossad protoplanet och därmed innehålla en skattkista av information om hur jorden och de tre övriga stenplaneterna – Merkurius, Venus och Mars – fick sina kärnor av järn i solsystemets barndom.

Enligt teorin skedde det på samma sätt som när protoplaneterna bildades, genom att stenplaneternas inre smälte, varefter de tunga metallerna rörde sig in i kärnan. Metallasteroiden kan även avslöja detaljer om denna process, som inte går att studera på jorden.

Solsystemets födelse, tre sorters asteroider
© Shutterstock

Asteroiderna avslöjar jordens uppbyggnad

Solsystemets födelse lämnade efter sig tre sorters asteroider, som är lämningar från planetbildningen och därför en sorts miniplaneter. Varje asteroidtyp bidrar med information om en del av jordens uppbyggnad.

© JAXA

1. Stenasteroider är manteln från en protoplanet

Protoplaneterna som befann sig nära solen smälte helt och fick en kärna av järn omgiven av en mantel av sten. De flesta protoplaneter krossades senare i kollisioner, så vanliga stenasteroider har en sammansättning som motsvarar jordens mantel.

© NASA/Goddard/University of Arizona

2. Kolasteroider förde livet till jorden

Längre bort från solen smälte protoplaneterna inte, utan blev de kolasteroider som man tror har fört vatten och organiskt material till jorden. Kolasteroiderna innehåller fortfarande stenplaneternas ursprungliga byggstenar.

© Peter Rubin/NASA/JPL-Caltech/ASU

3. Metallasteroider liknar jordens järnkärna

Metallasteroider som Psyche kan vara järnkärnor från krossade protoplaneter och följaktligen miniversioner av jordens kärna. Trots att de har stelnat kan de innehålla spår av hur metallkärnorna bildades i hjärtat av stenplaneterna.

Psyche blir mer mystisk

När Nasa år 2017 gav grönt ljus åt Psycheexpeditionen hade planetforskarna under ett par årtionden varit övertygade om att den stora metallasteroiden var en krossad protoplanets nakna metallkärna.

Forskarna trodde nämligen att 90 procent av asteroidens massa var ren metall. Och det fanns det goda skäl för.

Psyches yta reflekterar nämligen betydligt starkare radarvågor än både stenasteroider och kolasteroider. Det visar att ytan består av järn och nickel, vilket motsvarar jordens kärna.

I fjol krackelerade emellertid den enkla bilden när Lauri Siltala vid Helsingfors universitet och Mikael Granvik vid Luleå tekniska universitet offentliggjorde mätningar på tio mindre asteroider som kommit nära den stora metallasteroiden under åren 1974–2019.

Mötet med tungviktaren förändrade de små asteroidernas bana, men inte lika mycket som om Psyche hade varit en massiv järnklump.

277 gånger 223 meter mäter den potatisformade asteroiden, som motsvarar en procent av asteroidbältets massa.

De två planetforskarna beräknade asteroidens densitet till 3,9 gram per kubikcentimeter, vilket motsvarar hälften av järns densitet. Det tyder på att endast mellan 30 och 60 procent av Psyches massa består av järn och nickel.

Därför har forskare nu lagt fram nya teorier om Psyches ursprung och utveckling.

Den ledande teorin är att en krossad protoplanets metallkärna attraherade sten och grus från den sönderslagna manteln och på så vis fick en tunn skorpa av sten och metall, som snabbt stelnade.

Järnvulkaner från den ännu glödheta metallkärnan spydde sedan ut strömmar av flytande järn och nickel genom sprickor i skorpan, och eftersom smält metall är lättflytande spreds metallerna över stora delar av ytan.

Processen slutade med att den kalla rymden kylde metallasteroiden utifrån och in, tills även den flytande metallkärnan stelnade.

I likhet med andra asteroider är Psyche en rest av en protoplanet, men hur den fick sitt nuvarande utseende med en yta av metall är ovisst. Forskarna har tre teorier, av vilka den första nu har uteslutits.

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

Psyche är en naken planetkärna

Tidigare trodde forskarna att Psyche bestod av 90 procent metall och att den var en krossad protoplanets nakna järnkärna. Nya mätningar har dock visat att asteroiden bara innehåller 30–60 procent metall, så forskarna har släppt den teorin.

© Doug Bowman/Shutterstock

Asteroiden stelnade i klumpar

Eventuellt krossades protoplaneten på ett sätt som gjorde att stenen och metallen smälte och stelnade i klumpar. Då kan Psyche bestå av stenkristaller inbäddade i järn, ungefär som pallasiter, en typ av meteoriter. Den teorin förklarar emellertid inte metallen på ytan.

© Elena Hartley/Shutterstock

Järnvulkaner täckte ytan

Enligt den ledande teorin har Psyche en tunn mantel av sten runt en stor kärna av järn, precis som Merkurius. För flera miljarder år sedan spydde järnvulkaner ur sig glödande järn och nickel via sprickor i manteln och täckte ytan med metall.

Teorin om järnvulkanerna kan förklara varför stora delar av asteroidens yta är täckta av ren metall. Förklaringen är dock spekulativ, eftersom forskarna fortfarande inte vet om järnvulkanism över huvud taget existerar.

Sonden ska lösa Psyches gåta

Psyche ska skjutas upp med den största SpaceX-raketen, Falcon Heavy. Den exakta tidpunkten har inte bestämts, men det kan bli i juli eller september 2023.

Resan till Psyche har blivit möjlig tack vare en ny sorts jonmotor, en så kallad Hallmotor, som utnyttjar bränslet, ädelgasen xenon, på ett extremt effektivt vis. Därför räcker det med en tank med endast 922 kilo gas till den 2,4 miljarder kilometer långa resan samt den därpå följande omloppsbanan runt metallasteroiden.

Om sonden hade haft en traditionell jonmotor skulle den ha behövt fem gånger så mycket bränsle, vilket hade inneburit att även priset, en miljard dollar, hade femdubblats.

Sondens solpaneler ger el till en ny typ av jonmotor, som för första gången används under en lång rymdfärd. De fyra motorerna avger strömmar av xenonatomer, som får upp farten till 200 000 kilometer i timmen.

© Ken Ikeda Madsen

1. Elektromagnetiska fält driver motorn

Spänningen mellan en positiv elektrod (+) vid bränsleintaget och en negativ (-) utanför motorn skapar ett elektriskt fält i motorkanalen. Fyra magnetiska stift skapar ett magnetfält som är tvärställt till det elektriska fältet.

© Ken Ikeda Madsen

2. Elektroner kretsar kring ett magnetfält

Elektronerna (röda) från den negativa elektroden fångas av magnetfältet och cirkulerar nära motorns avgasrör. Bränslet, ädelgasen xenon (blå), tillförs och det elektriska fältet drar xenonatomerna genom motorkanalen.

© Ken Ikeda Madsen

3. Xenonjoner sparkas ut ur avgasröret

När xenonatomerna (blå) träffar den negativa ringen sliter den loss elektroner (röda) från atomkärnorna, så att de blir positiva joner. Den negativa ringen sparkar ut dem ur motorn och strömmen av joner driver sonden.

Det är inte alls omöjligt att gåtan om Psyches uppkomst och uppbyggnad kan lösas när sonden, tre och ett halvt år efter uppskjutningen, lägger sig omlopp runt metallasteroiden.

Sonden har med sig tre mätinstrument och kommer även att använda sin radiokommunikation med jorden för att beräkna asteroidens massfördelning.

Det sker med hjälp av gravimetri, som grundas på att massfördelningen i Psyches inre påverkar sondens omloppsbana, vilket kan avläsas med radiosignalerna.

Mätningarna kommer att visa om massan är samlad i en tung kärna av järn och nickel omgiven av lättare stenmassor, som forskarna tror.

Rymdsond Psyche

Sondens mätinstrument kan avgöra om Psyche ursprungligen var en protoplanets järnkärna och om järnvulkaner därefter har täckt asteroidens yta med flytande metall.

© NASA/JPL-Caltech/ASU

Sondens magnetometer ska ta reda på om Psyche är magnetiserad. I så fall visar det att metallasteroiden skapades som en järnkärna i en tidigare protoplanet, för om flytande järn cirkulerade i kärnan till följd av miniplanetens rotation och gav upphov till ett magnetfält har fältet frysts fast i magnetiska partiklar i asteroiden när den stelnade.

I så fall vet vi att protoplaneten har haft en miniversion av jordens kärna.

Sondens kamera ska inte bara ta närbilder av Psyche, utan också mäta strålning från ytan i våglängderna ultraviolett och nära infrarött. Om den nakna metallkärnan efter protoplanetens förstörelse attraherade sten och grus från den tidigare manteln och fick en tunn skorpa av sten kommer mätningarna att avslöja stenmineralernas art.

Observationerna kommer också att visa om järnvulkaner därefter täckte delar av ytan med flytande metall.

Kretsloppet runt Psyche ska pågå i 21 månader, varefter sonden efter en inledande omloppsbana på 700 kilometers höjd ska närma sig alltmer.

85 kilometer ovanför ytan. Så långt ner når sonden i slutet av sin omloppsbana runt asteroiden.

När sonden hamnar i omloppsbana bara 85 kilometer ovanför ytan, kommer forskarna närmare jordens kärna – eller någonting som liknar den – än vi någonsin varit. Det kan jämföras med avståndet från jordens yta till kärnan, som är 2 800 kilometer längre.

Observationerna kommer att revolutionera våra kunskaper om hur jorden och de övriga stenplaneterna bildades och fick sina metallkärnor i solsystemets barndom.

Så trots att det inte går att resa långt ner i jordens inre som Jules Vernes fiktive professor Lidenbrock kan forskarna studera planetens uppbyggnad på nära håll. Resan går bara i motsatt riktning: ut i rymden.