Rymdsond färdas till jordens kärna

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.