Rumsonde rejser til Jordens kerne

I Jules Vernes fortælling “Rejsen til Jordens indre” rejser den halvgale professor Otto Lidenbrock sammen med sin modvillige nevø Axel og guiden Hans ind til Jordens centrum via en islandsk vulkan. Og efter mange farlige eventyr bliver trioen spyttet ud på jordoverfladen igen af en vulkan i Italien.

Der er nu gået mere end 150 år, siden Jules Verne skrev sin berømte science fiction-roman, men en rejse til Jordens indre er stadig ren fantasi.

Det er kun lykkedes at bore 12 km ned under Jordens overflade, og vi kommer aldrig ind til kernen af jern og nikkel, så geologerne kan undersøge den på stedet og afsløre, præcis hvordan kernen blev dannet i den unge Jord.

I stedet har forskerne vendt blikket ud mod rummet. Asteroiderne rummer nemlig stadig alle de byggesten, som skabte stenplaneterne Merkur, Venus, Jorden og Mars.

Gennem de seneste to årtier har astronomerne sendt sonder i kredsløb omkring stenasteroider, der har en sammensætning svarende til Jordens kappe. Og også kulstofasteroiderne, der sandsynligvis forsynede Jorden med både vand og liv, har fået besøg.

Men vi har endnu aldrig besøgt en metalasteroide. Det råder NASA nu bod på ved at sende sonden Psyche ud på en 2,4 mia. km lang rumrejse til en asteroide af samme navn.

Asteroiden Psyche består primært af metal, og derfor mener astronomer, at den kan være kernen fra et planetkim – en miniplanet – der blev blottet, da planetkimet kolliderede med et andet.

Så da vi ikke som den fiktive professor Lidenbrock kan rejse ind til Jordens indre, giver rejsen til Psyche den hidtil bedste mulighed for at studere en jernkerne på klos hold.

Solsystemet var et skydetelt

Psyche er en kæmpe med form som en kartoffel. Metalasteroiden har en længde på 277 km og en gennemsnitlig bredde på 223 km, og den er så tung, at den rummer 1 pct. af al massen i asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter, som er hjemsted for over 1 mio. asteroider.

Asteroiderne er rester fra Solsystemets dannelse, og for at forstå, hvordan de forskellige typer af asteroider i dag afspejler Jordens indre, må vi rejse tilbage i tiden til Solsystemets dannelse.

Solen blev dannet for 4,6 mia. år siden af en sky af støv og gas, som kollapsede til en stjerne. Resterne af skyen endte i en skive, som roterede omkring Solens ækvator. Her blev støvet først samlet i småsten, så i større kampesten og derpå i planetkim med op til Månens størrelse.

Tættest på Solen blev planetkimene både opvarmet udefra af sollyset og indefra af radioaktive henfald, så de små planeter smeltede fuldstændigt. Det fik tunge metaller som jern og nikkel til at bevæge sig ind mod centrum og danne en flydende jernkerne, som blev omgivet af en kappe af lettere, smeltede stenmasser.

Længere ude i Solsystemet kunne planetkimene sende deres radioaktive varme ud i det kolde rum. Derfor smeltede de ikke, og de såkaldte kulstofasteroider, der stammer fra disse planetkim, rummer stenplaneternes mest oprindelige byggesten i form af løst sammenkittet grus og sten.

I begyndelsen smadrede planetkimene i det indre Solsystem mod hinanden igen og igen, og de største planetkim voksede ved at tiltrække resterne fra sammenstødene.

For 4,56 mia. år siden var de fire indre stenplaneter blevet dannet og havde stort set ryddet deres baner for mindre planetkim og deres rester i form af asteroider, som enten blev slynget lige ind i Solen eller ud i asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter.

I den nærmeste del af asteroidebæltet er stenasteroider, der stammer fra kappen i smadrede planetkim, almindeligst, og de var først til at få besøg af en sonde fra Jorden.

I 2005 gik den japanske sonde Hayabusa i kredsløb omkring stenasteroiden Itokawa, og fem år senere vendte sonden hjem med en mikroskopisk prøve. Analyserne bekræftede, at stenasteroider er sammensat af de samme mineraler som Jordens kappe.

I 2020 droppede sonden Hayabusa-2 en kapsel med 5,4 gram asteroidestøv i en ørken i Australien. Prøven var hentet længere ude i asteroidebæltet fra kulstofasteroiden Ryugu, og til næste år returnerer den amerikanske sonde OSIRIS-REx med 400 g støv og grus fra en anden kulstofasteroide, Bennu.

Observationerne under Hayabusa-2’s og Ryugus kredsløb viste, at de planetkim, som kulstofasteroiderne er rester af, rummer store mængder vand, og især Bennus overflade er også rig på organiske stoffer.

Forskerne mener derfor, at Jordens vand og kimene til livet netop kan stamme fra nedslag af kulstofasteroider.

Jordens kerne er utilgængelig

Ved at studere asteroiderne er forskerne således godt i gang med at udforske de oprindelige byggesten, der dannede Jordens skorpe og kappe.

Men pendanten til Jordens indre jernkerne, metalasteroiderne, har endnu ikke fået besøg af en sonde.

Der er i gennemsnit 6371 km fra jordoverfladen ind til Jordens centrum, og kernen begynder i 2885 kilometers dybde. Den ydre kerne består især af flydende jern og nikkel, som via roterende bevægelser genererer klodens beskyttende magnetfelt, mens den indre kerne består af fast metal på grund af det enorme tryk.

Kernen har indtil videre kun kunnet undersøges indirekte via seismiske målinger, og på grund af dens utilgængelighed er planetforskerne ekstremt interesserede i at nærstudere den store metalasteroide Psyche.

Asteroiden kan nemlig være en jernkerne fra et smadret planetkim og rumme en skatkiste af informationer om, hvordan Jorden og de tre andre stenplaneter – Merkur, Venus og Mars – fik deres jernkerner i Solsystemets barndom.

Det skete ifølge teorien på samme måde som i planetkimene ved, at stenplaneternes indre smeltede, hvorpå de tunge metaller bevægede sig ind i kernen. Og metalasteroiden kan afsløre detaljer om den proces, som det ikke er muligt at undersøge på Jorden.

Psyche bliver mere mystisk

Da NASA gav grønt lys for Psyche-missionen i 2017, havde planetforskerne gennem et par årtier været overbeviste om, at den store metalasteroide var en nøgen metalkerne fra et smadret planetkim.

Forskerne mente nemlig, at 90 pct. af asteroidens masse var rent metal. Og det var der gode argumenter for.

Først og fremmest reflekterer Psyches overflade radarbølger langt kraftigere end både stenasteroider og kulstofasteroider, og det viser, at overfladen især består af jern og nikkel, som svarer til Jordens kerne.

Men sidste år krakelerede det simple billede, da Lauri Siltala fra Helsinkis universitet i Finland og Mikael Granvik fra Luleås universitet i Sverige offentliggjorde målinger på ti mindre asteroider, som kom tæt på den store metalasteroide i årene mellem 1974 og 2019.

Mødet med sværvægteren ændrede de små asteroiders baner, men ikke så meget, som det ville have været tilfældet, hvis Psyche var en massiv jernklump.

De to planetforskere beregnede nu asteroidens vægtfylde til 3,9 g pr. kubikcentimeter, hvilket svarer til halvdelen af jerns vægtfylde. Det tyder på, at kun mellem 30 og 60 pct. af Psyches masse består af jern og nikkel.

Derfor har forskere nu fremsat nye teorier om Psyches oprindelse og udvikling.

Den førende teori går ud på, at metalkernen fra et smadret planetkim tiltrak sten og grus fra den sønderslåede kappe og derved fik en tynd skorpe af sten og metal, som hurtigt størknede.

Jernvulkaner fra den stadig glohede metalkerne spyede derpå strømme af flydende jern og nikkel ud gennem revner i skorpen. Og fordi smeltet metal er tyndtflydende, bredte metallerne sig over store dele af overfladen.

Processen sluttede ved, at kulden fra rummet afkølede metalasteroiden udefra og indefter, indtil den flydende metalkerne også størknede.

Teorien om jernvulkanerne kan forklare, hvorfor store områder på asteroidens overflade er dækket af rent metal. Forklaringen er dog spekulativ, da forskerne stadig ikke ved med sikkerhed, om jernvulkanisme overhovedet eksisterer.

Sonden vil løse Psyches gåde

Psyche skal opsendes med den største SpaceX-raket, Falcon Heavy. Det præcise tidspunkt er ikke fastlagt, men det kan blive i juli eller september 2023.

Rejsen til Psyche er kun blevet mulig takket være en ny type ionmotor, en såkaldt Hall-motor, som udnytter brændstoffet, ædelgassen xenon, ekstremt effektivt. Derfor rækker en tank med kun 922 kg gas til hele turen på 2,4 mia. km og det efterfølgende kredsløb omkring metalasteroiden.

Hvis sonden havde været udstyret med en traditionel ionmotor, skulle den have medbragt fem gange så meget brændstof, og prisen på 1 mia. dollars ville ligeledes være blevet femdoblet.

Gåden om Psyches opståen og opbygning har gode chancer for at blive opklaret, når sonden tre et halvt år efter opsendelsen går i kredsløb omkring metalasteroiden.

Sonden medbringer tre videnskabelige instrumenter og udnytter dertil radiokommunikationen med Jorden til at beregne massefordelingen i asteroiden.

Det sker via tyngdemålinger, som er baseret på, at fordelingen af masse i Psyches indre vil påvirke sondens bane under kredsløbene, hvilket kan aflæses i radiosignalerne.

Målingerne vil afsløre, om massen er koncentreret i en tung kerne af jern og nikkel omgivet af lettere stenmasser, som forskerne formoder.

Sondens magnetometer skal opklare, om Psyche er magnetiseret. I givet fald beviser det, at metalasteroiden er skabt som en jernkerne i et tidligere planetkim, for hvis flydende jern cirkulerede rundt i kernen som følge af miniplanetens rotation og genererede et magnetfelt, blev feltet indefrosset i magnetiske partikler i asteroiden, da den størknede.

I givet fald vil vi vide, at planetkimet har rummet en miniudgave af Jordens kerne.

Sondens kamera skal ikke blot fotografere Psyche fra klos hold, men også måle ultraviolet og nær-infrarød stråling fra overfladen. Hvis den nøgne metalkerne efter planetkimets destruktion tiltrak sten og grus fra den tidligere kappe og fik en tynd skorpe af sten, vil målingerne afsløre stenmineralernes art.

Observationerne vil ligeledes opklare, om jernvulkaner efterfølgende dækkede dele af overfladen med flydende metal.

Kredsløbet om Psyche skal vare i 21 måneder, hvor sonden efter et indledende kredsløb i 700 kilometers højde rykker tættere og tættere på.

Når sonden ender i et kredsløb kun 85 km over overfladen, kommer forskerne tættere på Jordens kerne – eller noget, der ligner – end vi nogensinde har været før. Til sammenligning er afstanden fra Jordens overflade ind til kernen nemlig 2800 km længere.

Undersøgelserne vil derfor revolutionere vores viden om, hvordan Jorden og de andre stenplaneter blev dannet og fik deres metalkerner i Solsystemets barndom.

Så selvom vi ikke er i stand til at rejse dybt ned i Jordens indre som Jules Vernes fiktive professor Lidenbrock, kan forskerne alligevel undersøge klodens opbygning i detaljer. Rejsen går blot den modsatte vej – ud i rummet.