Avaruusluotain Psyche Asteroidi Maa

Avaruusluotain Maan ytimeen

Kun Psyche-luotain matkaa avaruudessa, se liikkuu samanaikaisesti Maan uumenissa. Asteroideissa on nimittäin kaikkia niitä rakennusaineita, joista Maa muodostui 4,5 miljardia vuotta sitten. Tähtäimessä on asteroidi, joka muistuttaa erehdyttävästi Maan ydintä.

Kun Psyche-luotain matkaa avaruudessa, se liikkuu samanaikaisesti Maan uumenissa. Asteroideissa on nimittäin kaikkia niitä rakennusaineita, joista Maa muodostui 4,5 miljardia vuotta sitten. Tähtäimessä on asteroidi, joka muistuttaa erehdyttävästi Maan ydintä.

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

Jules Vernen kirjassa Matka maan keskipisteeseen vähän sekopäinen professori Otto Lidenbrock matkustaa yhdessä vastahakoisen veljenpoikansa Axelin ja oppaansa Hansin kanssa maapallon keskelle Islannissa sijaitsevan tulivuoren kautta. Monien jännittävien seikkailujen jälkeen kolmikko nousee takaisin maanpinnalle italialaistulivuoren purkausaukosta.

Siitä, kun Jules Verne kirjoitti kuuluisan tieteisromaaninsa, on kulunut jo yli 150 vuotta. Matka Maan sisuksiin on kuitenkin yhä yhtä epärealistinen.

On pystytty poraamaan vain 12 kilometrin syvyyteen, ja rautaa ja nikkeliä oleva ydin pysyy aina geologien ulottumattomissa. Siten he eivät pääse suoraan tutkimaan, kuinka nuori Maa sai sydämensä.

Tutkijat ovatkin kääntäneet katseensa avaruuteen. Asteroidit sisältävät nimittäin yhä kaikkia niitä rakennusaineita, joista kiviplaneetat Merkurius, Venus, Maa ja Mars muodostuivat.

Kahden viime vuosikymmenen aikana on lähetetty luotaimia kiertämään kiviasteroideja, jotka vastaavat koostumukseltaan Maan vaippaa. Lisäksi on tutkittu hiiliasteroideja, joista Maan vesi ja elämä ovat todennäköisesti peräisin.

Tähän mennessä ei ole käyty metalliasteroidilla. Nasa aikoo muuttaa tilanteen lähettämällä Psyche-luotaimen 2,4 miljardin kilometrin päässä Maasta sijaitsevalle samannimiselle asteroidille.

Avaruusluotain Psyche matkasuunnitelma
© NASA/JPL-Caltech/ASU/Shutterstock

Matka Psycheen kestää yli kolme vuotta

Psyche-luotaimen määränpää on 2,4 miljardin kilometrin päässä Maasta, Marsin ja Jupiterin välisellä asteroidivyöhykkeellä, sijaitseva Psyche-asteroidi. Mars pukkaa luotaimen maaliin.

Psyche-asteroidi koostuu enimmäkseen metallista. Siksi pidetään mahdollisena, että se on planeetta-alkion ydin, joka paljastui, kun planeetta-alkio törmäsi toiseen pienoisplaneettaan.

Koska professori Lidenbrockista ei voida ottaa esimerkkiä, matka Psycheen on paras vaihtoehto tutkijoille, jotka haluavat päästä perehtymään rautaytimeen lähietäisyydeltä.

Aurinkokunnassa kolaroitiin

Psyche on kookas perunan muotoinen kappale. Metalliasteroidin pituus on 277 kilometriä, ja se on keskimäärin 223 kilometriä leveä. Psychellä on niin paljon painoa, että sen osuus Marsin ja Jupiterin välisen asteroidivyöhykkeen yli miljoonan kappaleen kokonaismassasta on sadasosa.

Asteroidit ovat varhaisen Aurinkokunnan peruja. Jotta voi ymmärtää, kuinka erilaiset asteroidit heijastavat nykyään Maan sisusta, täytyy tehdä aikamatka menneisyyteen eli Aurinkokunnan muodostumisvaiheeseen.

Aurinko syntyi 4,6 miljardia vuotta sitten, kun pöly- ja kaasupilvi luhistui tähdeksi. Pilven jäännökset levisivät kiekoksi, joka kiersi Aurinkoa sen ekvaattoritasossa. Pölyä kasautui ensin pikkukiviksi ja sitten suuremmiksi möhkäleiksi. Vähitellen kasvoi jopa Kuun kokoisia planeetta-alkioita.

12 kilometrin syvyyteen on päästy poraamalla. Maanpinnalta on matkaa ytimeen 2 885 kilometriä.

Planeetta-alkioita lämmitti sisäisen radioaktiivisen hajoamisen lisäksi lähellä Aurinkoa valo, ja ne sulivatkin kokonaan. Siksi raskaat metallit, kuten rauta ja nikkeli, vajosivat kohti keskustaa ja muodostivat nestemäisen rautaytimen, jota ympäröi kevyemmästä kivisulasta muodostuva vaippa.

Ulompana Aurinkokunnassa planeetta-alkiot saattoivat luovuttaa radioaktiivisen hajoamisen tuottamaa lämpöä kylmään avaruuteen. Siksi ne eivät sulaneet. Hiiliasteroidit, jotka juontuvat näistä planeetta-alkioista, sisältävät kaikkein alkuperäisimpiä kiviplaneettojen rakennusaineita melko löyhissä sora- ja kivikasaumissaan.

Alkuvaiheessa planeetta-alkiot törmäilivät jatkuvasti Aurinkokunnan sisäosissa toisiinsa. Suurimmat kappaleet jatkoivat kasvuaan vetämällä puoleensa kolareissa irronneita aineksia.

Neljä sisintä kiviplaneettaa olivat muodostuneet 4,56 miljardia vuotta sitten ja puhdistaneet melko tarkasti ratansa pienistä planeetta-alkioista ja niiden jäännöksistä, asteroideista. Nämä sinkoutuivat joko suoraan Aurinkoon tai Marsin ja Jupiterin väliselle asteroidivyöhykkeelle.

Asteroidivyöhyke

Kun kiviplaneetat olivat muodostuneet, tähteet sinkoutuivat Marsin ja Jupiterin väliselle asteroidivyöhykkeelle. Siellä kiertää Aurinkoa yli miljoona asteroidia.

© Shutterstock

Asteroidivyöhykkeen etuosassa on paljon kiviasteroideja, jotka ovat peräisin hajonneiden planeetta-alkioiden vaipasta. Ne olivat ensimmäisiä luotaintutkimusten kohteita.

Vuonna 2005 japanilaisluotain Hayabusa asettui kiertämään kiviasteroidi Itokawaa, ja viisi vuotta myöhemmin se toi Maahan mikroskooppisen näytteen. Analyysien mukaan kiviasteroidit koostuvat samoista mineraaleista kuin Maan vaippa kuten oli oletettukin.

Vuonna 2020 Hayabusa 2 -luotain pudotti Australian aavikolle kapselin, joka sisälsi 5,4 grammaa asteroidipölyä. Näyte oli haettu syvemmällä asteroidivyöhykkeellä kiertävästä Ryugu-nimisestä hiiliasteroidista. Ensi vuonna Maahan palaa yhdysvaltalaisluotain OSIRIS-REx mukanaan 400 grammaa toisen hiiliasteroidin, Bennun, pölyä ja soraa.

Avaruusluotain OSIRIS-REx

Maahan vuonna 2023 palaava avaruusluotain OSIRIS-REx on ottanut 400 grammaa pöly- ja soranäytteitä hiiliasteroidi Bennusta.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

Ryugulle laskeutuneen Hayabusa 2:n ansiosta tiedetään nyt varmasti, että ne planeetta-alkiot, joiden jäännöksiä hiiliasteroidit ovat, ovat sisältäneet runsaasti vettä. Bennun pinnalla esiintyy myös paljon orgaanisia aineita.

Siksi pidetään todennäköisenä, että Maa sai vettä ja elämän aineksia niistä hiiliasteroideista, jotka törmäsivät siihen.

Maan ydin on liian kaukana

Tutkimalla asteroideja saadaan tietoa aikoinaan Maan kuoren ja vaipan muodostaneista aineista.

Maan rautaytimen vastineita, metalliasteroideja, ei ole kuitenkaan vielä luodattu.

Maan keskipisteeseen on matkaa keskimäärin 6 371 kilometriä, ja ydin alkaa 2 885 kilometrin syvyydessä. Ulkoydin koostuu enimmäkseen nestemäisestä raudasta ja nikkelistä, joiden kiertoliikkeet tuottavat maapalloa suojaavan magneettikentän. Sisäytimessä metalli on kiinteää valtavan paineen vuoksi.

Ydintä on voitu tutkia vain epäsuorasti seismisillä mittauksilla. Koska ydin on tutkijoiden ulottumattomissa, heitä kiinnostaa kovasti päästä analysoimaan tarkemmin kookasta metalliasteroidia, Psycheä.

Asteroidi voi nimittäin olla hajonneen planeetta-alkion rautaydin ja siten arvokas tietolähde, joka valottaa sitä, kuinka Maa ja kolme muuta kiviplaneettaa – Merkurius, Venus ja Mars – saivat rautasydämensä Aurinkokunnan lapsuudessa.

Tapahtumasarja on selitettävissä samalla tavalla kuin planeetta-alkioiden osalta: kiviplaneettojen sisus suli, ja raskaat metallit vajosivat keskustaan. Metalliasteroidista voivat paljastua prosessin yksityiskohdat, joita ei ole mahdollista selvittää Maassa.

Aurinkokunnan synty 3 eri tyyppiä asteroideja
© Shutterstock

Asteroidit paljastavat Maan rakenteen

Kun Aurinkokuntaan muodostuivat planeetat, siihen jäi kolmenlaisia asteroideja ikään kuin tähteinä, joita voidaan pitää keskeneräisinä planeettoina. Jokainen asteroidityyppi valaisee osaltaan Maan ominaisuuksia.

© JAXA

1. Kiviasteroidi on planeetta-alkion vaippa

Auringon lähiympäristössä planeetta-alkiot sulivat kokonaan ja saivat kivivaipan ympäröimän rautaytimen. Useimmat planeetta-alkiot hajosivat ennen pitkää yhteentörmäyksissä. Tavalliset kiviasteroidit vastaavat koostumukseltaan Maan vaippaa.

© NASA/Goddard/University of Arizona

2. Hiiliasteroidit toivat elämän ainekset Maahan

Kauempana Auringosta planeetta-alkiot välttyivät sulamiselta ja muuttuivat hiiliasteroideiksi, joista Maan oletetaan saaneen vettä ja orgaanisia aineita. Hiiliasteroidit sisältävät yhä kiviplaneettojen alkuperäisiä rakennusaineita.

© Peter Rubin/NASA/JPL-Caltech/ASU

3. Metalliasteroidit muistuttavat Maan rautaydintä

Psychen kaltaiset metalliasteroidit voivat olla hajonneiden planeetta-alkioiden rautaytimiä ja siten Maan ytimen pienoismalleja. Jähmettymisestä huolimatta niissä voi piillä vieläkin tietoa siitä, kuinka kiviplaneetat saivat metallisydämensä.

Psychestä entistä arvoituksellisempi

Kun Nasa hyväksyi Psyche-ohjelman vuonna 2017, planeettatutkijat olivat jo pari vuosikymmentä olleet vakuuttuneita siitä, että kookas metalliasteroidi oli hajonneen planeetta-alkion paljas metalliydin.

Tutkijat nimittäin olettivat, että 90 prosenttia asteroidin massasta perustuu puhtaaseen metalliin. Ja oletukselle oli olemassa hyvät perusteet.

Ensinnäkin Psychen pinta heijastaa tutka-aaltoja paljon voimakkaammin kuin kivi- ja hiiliasteroidit. Tästä voidaan päätellä, että pinta koostuu Maan ytimen tapaan enimmäkseen raudasta ja nikkelistä.

Kuva sai kuitenkin viime vuonna särön, kun Lauri Siltala Helsingin yliopistosta ja Mikael Granvik Luulajan yliopistosta julkaisivat tutkimustuloksensa. Ne koskivat kymmentä pienempää asteroidia, jotka olivat käyneet lähellä isoa metalliasteroidia vuosina 1974–2019.

Raskassarjalaisen kohtaaminen muutti pikku asteroidien ratoja muttei kuitenkaan niin paljon kuin olisi odotuksenmukaista siinä tapauksessa, että Psyche on massiivinen rautamöhkäle.

277 kertaa 223 metriä on kooltaan se perunan muotoinen asteroidi, jonka osuus asteroidivyöhykkeen kokonaismassasta on sadasosa.

Tutkijapari määritti asteroidin tiheydeksi 3,9 grammaa kuutiosenttimetriä kohti, mikä on puolet raudan tiheydestä. Toisin sanoen vain 30–60 prosenttia Psychen massasta selittyy raudasta ja nikkelistä.

Onkin esitetty uusia teorioita Psychen alkuperästä ja kehityksestä.

Suosituimman selitysvaihtoehdon mukaan hajonneen planeetta-alkion metalliydin veti puoleensa vaipasta peräisin olevia kiviä ja soraa ja sai siten ohuen kivi- ja metallikuoren, joka jähmettyi nopeasti.

Yhä kuumasta metalliytimestä virtasi rautatulivuorten kautta nestemäistä rautaa ja nikkeliä repeilevään kuoreen. Koska sula metalli on juoksevaa, pinta peittyi laajalti metalleihin.

Prosessi päättyi siihen, että avaruuden kylmyys jäähdytti metalliasteroidin vähitellen kauttaaltaan. Niinpä myös nestemäinen metalliydin jähmettyi.

Psyche on muiden asteroidien tavoin planeetta-alkion jäännös. Ei kuitenkaan tiedetä, miten se sai metallipintansa. Tutkijat ovat esittäneet kolme teoriaa, joista ensimmäinen on jo hylätty.

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

Psyche on paljas planeettaydin

Pitkään oletettiin, että Psyche koostuu 90-prosenttisesti metallista ja on siten pelkkä hajonneen planeetta-alkion rautaydin. Tuoreiden tutkimusten mukaan metallien osuus asteroidista on kuitenkin vain 30–60 prosenttia. Siksi tarvitaan parempi selitys.

© Doug Bowman/Shutterstock

Asteroidi jähmettyi kokkareina

Ehkä planeetta-alkion hajotessa kivet ja metallit sulivat ja muuttuivat taas kiinteiksi kokkaroitumalla. Psyche voi siis koostua rautaan muodostuneista kivikiteistä niin kuin oliviinipitoiset rautameteoriitit, pallasiitit. Tämä ei kuitenkaan selitä metallista pintaa.

© Elena Hartley/Shutterstock

Rautatulivuoret valoivat pinnan

Suosituimman selityksen mukaan Psychellä on ohut kivivaippa ison rautaytimensä ympärillä kuten Merkuriuksella. Miljardeja vuosia sitten rautatulivuorista purkautui vaipan repeämien kautta hehkuvaa rautaa ja nikkeliä pinnalle päällykseksi.

Rautatulivuoriteoria voi selittää sen, miksi suuri osa asteroidin pinnasta on pelkkää metallia. Käsitys perustuu kuitenkin oletuksiin, sillä pitävät todisteet tällaisen tulivuoritoiminnan olemassaolosta puuttuvat.

Luotain voi ratkaista Psychen arvoituksen

Psyche-luotaimen nostaa avaruuteen suurin SpaceX:n kantoraketti, Falcon Heavy. Tarkkaa päivämäärää ei ole vielä päätetty, mutta mahdollisesti laukaisu tapahtuu heinä- tai syyskuussa vuonna 2023.

Matkan Psycheen mahdollistaa uudenlainen ionimoottori, Hall-moottori, joka hyödyntää polttoaineensa, jalokaasu ksenonin, erittäin tehokkaasti. Sen ansiosta luotain lentää 2,4 miljardin kilometrin päähän ja alkaa kiertää metalliasteroidia vain 922 kilon kaasumäärällä.

Jos luotain olisi varustettu entisenlaisella ionimoottorilla, polttoaineen tarve olisi viisi kertaa niin suuri ja myös miljardin dollarin hinta viisinkertaistuisi.

Luotaimen aurinkopaneelit tuottavat sähköä uudenlaiselle ionimoottorille, jota käytetään ensimmäistä kertaa pitkällä avaruuslennolla. Moottorit, joita on yhteensä neljä, saavat aikaan ksenonatomivirran, joka nostaa nopeuden jopa 200 000 kilometriin tunnissa.

© Ken Ikeda Madsen

1. Sähkökentät käyttävät moottoria

Polttoaineen ottoon liittyvän positiivisen elektrodin (+) ja moottorin ulkopuolisen negatiivisen elektrodin (–) välinen jännite luo kanavan läpäisevän sähkökentän. Neljä magneettisauvaa tuottavat sähkökentän leikkaavan magneettikentän.

© Ken Ikeda Madsen

2. Elektronit kiertävät magneettikenttää

Magneettikenttä sieppaa negatiivisesta elektrodista peräisin olevat elektronit (punainen) ja saa ne kiertämään moottorin pakoputken suulla. Kun polttoainetta, jalokaasu ksenonia (sininen), syötetään, sähkökenttä vetää ksenonatomit kanavan läpi.

© Ken Ikeda Madsen

3. Ksenonionit syöksyvät pakoputkesta

Kun ksenonatomit (sininen) osuvat negatiiviseen renkaaseen, niiden ytimestä irtoaa elektroneja (punainen) ja ne muuttuvat positiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Negatiivinen rengas sinkoaa ne ulos moottorista, ja ionivirta työntää luotainta.

Psychen syntymää ja rakennetta koskeviin kysymyksiin voidaan hyvinkin saada vastaukset, kun luotain kolme ja puoli vuotta laukaisun jälkeen asettuu kiertämään metalliasteroidia.

Luotaimen kolmen tutkimusvälineen ja radioyhteyden ansiosta on mahdollista määrittää metalliasteroidin tiheys.

Määritys perustuu painovoimamittauksiin, jotka paljastavat, kuinka Psychen massajakauma vaikuttaa sitä kiertävän luotaimen rataan. Se selviää radiosignaaleista.

Mittaustulokset kertovat, onko massa keskittynyt raskaaseen rauta-nikkeliytimeen, jota ympäröivät kevyemmät kiviainekset, niin kuin tutkijat olettavat.

Avaruusluotain Psyche

Luotaimen tutkimusvälineet voivat paljastaa, onko Psyche planeetta-alkion rautaydin ja ovatko rautatulivuoret jossain vaiheessa levittäneet sen pinnalle sulaa metallia.

© NASA/JPL-Caltech/ASU

Luotaimen magnetometri selvittää, onko metalliasteroidi magneettinen. Siinä tapauksessa, että Psyche on magneettinen, se on planeetta-alkion rautaydin: jos nestemäinen rauta kiersi ytimessä kappaleen pyörimisliikkeen vuoksi ja sai aikaan magneettikentän, tämä ikuistui asteroidiin, kun magneettiset hiukkaset jähmettyivät.

Silloin on selvää, että planeetta-alkiossa piili Maan ydin pienoiskoossa.

Sen lisäksi, että luotain kuvaa Psycheä lähietäisyydeltä, se mittaa pinnalta ultraviolettisäteilyä ja lähi-infrapuna-alueen säteilyä. Jos hajonneen planeetta-alkion paljas metalliydin veti puoleensa entisen vaipan kiviä ja soraa ja sai ympärilleen ohuen kivikuoren, mittaukset paljastavat kivilajit.

Havainnot valaisevat myös sitä, peittivätkö rautatulivuoret osan pinnasta nestemäisellä metallilla.

Psycheä tutkitaan kiertoradalta 21 kuukautta. Sinä aikana luotain siirtyy 700 kilometrin päästä aina vain lähemmäksi asteroidia.

85 kilometrin päähän. Näin lähelle pintaa luotain siirtyy kiertäessään asteroidia.

Kun luotain päätyy kiertoradalle vain 85 kilometrin päähän Psychen pinnasta, Maan ydintä – tai tietysti oikeammin sen vastinetta – voidaan tutkia lähempää kuin koskaan. Vertailun vuoksi mainittakoon, että maapallon pinnan ja ytimen väli on 2 800 kilometriä pitempi.

Tutkimusten odotetaan selkeyttävän käsityksiä siitä, kuinka Maa ja muut kiviplaneetat muodostuivat ja saivat metalliytimensä Aurinkokunnan lapsuudessa.

Vaikka Jules Vernen keksimän professori Lidenbrockin jalanjälkiä ei voidakaan seurata todellisuudessa, maapallon sisärakennetta selvittävät tutkijat eivät ole neuvottomia. He ovat kääntäneet katseensa Maan keskipisteestä avaruuteen.