In 2011, NASA's Dageraad ruimtevaartuig vestigde een baan rond de grote asteroïde (ook bekend als planetoïde) die bekend staat als Vesta. In de loop van de volgende 14 maanden heeft de sonde gedetailleerde onderzoeken uitgevoerd naar het oppervlak van Vesta met zijn reeks wetenschappelijke instrumenten. Deze bevindingen onthulden veel over de geschiedenis van de planetoïde, zijn oppervlaktekenmerken en zijn structuur - waarvan wordt aangenomen dat ze gedifferentieerd zijn, zoals de rotsachtige planeten.
Bovendien verzamelde de sonde essentiële informatie over het ijsgehalte van Vesta. Na de afgelopen drie jaar de gegevens van de sonde te hebben uitgezocht, heeft een team van wetenschappers een nieuwe studie opgesteld die de mogelijkheid van ondergronds ijs aangeeft. Deze bevindingen kunnen implicaties hebben als het gaat om ons begrip van hoe zonnelichamen zijn gevormd en hoe water historisch door het zonnestelsel is getransporteerd.
Hun studie, getiteld "Orbital Bistatic Radar Observations of Asteroid Vesta by the Dawn Mission", is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications. Onder leiding van Elizabeth Palmer, een afgestudeerde student van de Western Michigan University, vertrouwde het team op gegevens verkregen door de communicatieantenne aan boord van het Dawn-ruimtevaartuig om de eerste orbitale bistatische radar (BSR) -observatie van Vesta uit te voeren.
Deze antenne - de High-Gain telecommunicatie-antenne (HGA) - zond X-band radiogolven uit tijdens de baan van Vesta naar de Deep Space Network (DSN) -antenne op aarde. Tijdens het grootste deel van de missie was de baan van Dawn ontworpen om ervoor te zorgen dat de HGA in het zicht kwam met grondstations op aarde. Tijdens occultaties - toen de sonde 5 tot 33 minuten achter Vesta passeerde - bevond de sonde zich buiten deze gezichtslijn.
Desalniettemin zond de antenne continu telemetriegegevens uit, waardoor de door HGA uitgezonden radargolven vanaf het oppervlak van Vesta werden gereflecteerd. Deze techniek, bekend als bistatische radar (BSR) -observaties, is in het verleden gebruikt om de oppervlakken van terrestrische lichamen zoals Mercurius, Venus, de maan, Mars, de maan Titan van Saturnus en de komeet 67P / CG te bestuderen.
Maar zoals Palmer uitlegde, was het gebruik van deze techniek om een lichaam als Vesta te bestuderen een primeur voor astronomen:
“Dit is de eerste keer dat een bistatisch radarexperiment in een baan om een klein lichaam werd uitgevoerd, dus dit bracht verschillende unieke uitdagingen met zich mee vergeleken met hetzelfde experiment dat werd uitgevoerd bij grote lichamen zoals de maan of Mars. Omdat het zwaartekrachtveld rond Vesta bijvoorbeeld veel zwakker is dan Mars, hoeft het Dawn-ruimtevaartuig niet met een zeer hoge snelheid te cirkelen om zijn afstand tot het oppervlak te behouden. De baansnelheid van het ruimtevaartuig wordt echter belangrijk, want hoe sneller de baan, hoe meer de frequentie van de 'oppervlakte-echo' wordt veranderd (Doppler verschoven) in vergelijking met de frequentie van het 'directe signaal' (dat is het ongehinderde radiosignaal) die rechtstreeks van Dawn's HGA naar de antennes van het Deep Space Network van de aarde reist zonder Vesta's oppervlak te begrazen). Onderzoekers kunnen het verschil tussen een 'oppervlakte-echo' en het 'directe signaal' onderscheiden door hun frequentieverschil - dus met Dawn's langzamere baansnelheid rond Vesta was dit frequentieverschil erg klein en kostte het ons meer tijd om de BSR-gegevens te verwerken en isoleer de 'oppervlakte-echo's' om hun kracht te meten. ”
Door de gereflecteerde BSR-golven te bestuderen, konden Palmer en haar team waardevolle informatie uit Vesta's oppervlak halen. Hieruit observeerden ze significante verschillen in oppervlakteradarreflectiviteit. Maar in tegenstelling tot de maan konden deze variaties in de ruwheid van het oppervlak niet worden verklaard door alleen kraters en waren waarschijnlijk te wijten aan het bestaan van grondijs. Zoals Palmer uitlegde:
“We ontdekten dat dit het gevolg was van verschillen in ruwheid van het oppervlak op een schaal van enkele centimeters. Sterkere oppervlakte-echo's duiden op gladdere oppervlakken, terwijl zwakkere oppervlakte-echo's tegen ruwere oppervlakken stuiteren. Toen we onze oppervlakteruwheidskaart van Vesta vergeleken met een kaart van ondergrondse waterstofconcentraties - gemeten door Dawn-wetenschappers met behulp van de Gamma Ray and Neutron Detector (GRaND) op het ruimtevaartuig - ontdekten we dat uitgestrekte, gladdere gebieden elkaar overladen met gebieden die ook waterstof hadden verhoogd concentraties! "
Uiteindelijk concludeerden Palmer en haar collega's dat de aanwezigheid van begraven ijs (verleden en / of heden) op Vesta ervoor zorgde dat delen van het oppervlak gladder waren dan andere. Kortom, wanneer er een inslag op het oppervlak gebeurde, bracht het veel energie over naar de ondergrond. Als daar begraven ijs aanwezig was, zou het worden gesmolten door de impactgebeurtenis, naar de oppervlakte stromen langs door impact gegenereerde breuken en vervolgens op zijn plaats bevriezen.
Net zoals maan zoals Europa, Ganymedes en Titania oppervlaktevernieuwing ervaren vanwege de manier waarop cryovolcanisme ervoor zorgt dat vloeibaar water het oppervlak bereikt (waar het opnieuw bevriest), zou de aanwezigheid van ondergronds ijs ervoor zorgen dat delen van Vesta 'oppervlak worden gladgestreken na verloop van tijd. Dit zou uiteindelijk leiden tot het soort oneffen terrein waar Palmer en haar collega's getuige van waren.
Deze theorie wordt ondersteund door de grote concentraties waterstof die werden gedetecteerd op gladdere terreinen van honderden vierkante kilometers. Het komt ook overeen met geomorfologisch bewijs verkregen uit de Dawn Framing Camera-afbeeldingen, die tekenen vertoonden van voorbijgaande waterstroom over Vesta's oppervlak. Deze studie was ook in tegenspraak met enkele eerder gehanteerde veronderstellingen over Vesta.
Zoals Palmer opmerkte, kan dit ook gevolgen hebben voor ons begrip van de geschiedenis en evolutie van het zonnestelsel:
“Asteroïde Vesta zou al lang geleden al het watergehalte hebben uitgeput door wereldwijd smelten, differentiëren en extensief tuinieren met regolieten door de impact van kleinere lichamen. Onze bevindingen ondersteunen echter het idee dat er mogelijk begraven ijs op Vesta heeft gestaan, wat een opwindend vooruitzicht is aangezien Vesta een protoplaneet is die een vroege fase in de vorming van een planeet vertegenwoordigt. Hoe meer we leren over waar waterijs in het hele zonnestelsel aanwezig is, hoe beter we zullen begrijpen hoe water aan de aarde werd geleverd en hoeveel intrinsiek het aardinterieur was tijdens de vroege stadia van zijn vorming. "
Dit werk werd gesponsord door NASA's Planetary Geology and Geophysics-programma, een op JPL gebaseerde inspanning die zich richt op het bevorderen van het onderzoek van terrestrische planeten en grote satellieten in het zonnestelsel. Het werk werd ook uitgevoerd met de hulp van de Viterbi School of Engineering van het USC als onderdeel van een voortdurende inspanning om radar- en microgolfbeeldvorming te verbeteren om ondergrondse waterbronnen op planeten en andere lichamen te lokaliseren.
