W 2011 r. NASA Świt statek kosmiczny ustanowił orbitę wokół dużej asteroidy (zwanej również planetoidą) znanej jako Vesta. W ciągu następnych 14 miesięcy sonda przeprowadziła szczegółowe badania powierzchni Westy za pomocą zestawu instrumentów naukowych. Odkrycia te ujawniły wiele na temat historii planetoidy, jej cech powierzchniowych i struktury - która, jak się uważa, jest zróżnicowana, podobnie jak planety skaliste.
Ponadto sonda zebrała istotne informacje na temat zawartości lodu Westy. Po trzech ostatnich latach przeszukiwania danych z sondy zespół naukowców opracował nowe badanie wskazujące na możliwość wystąpienia lodu pod powierzchnią. Odkrycia te mogą mieć wpływ na nasze zrozumienie tego, jak powstały ciała słoneczne i jak historycznie woda była transportowana w całym Układzie Słonecznym.
Ich badanie, zatytułowane „Obserwacje radarowej orbitalnej obserwacji planetoidy Westy przez misję Dawn”, zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie naukowym Komunikacja przyrodnicza. Zespół kierowany przez Elizabeth Palmer, absolwentkę Western Michigan University, polegał na danych uzyskanych przez antenę komunikacyjną na pokładzie statku kosmicznego Dawn, aby przeprowadzić pierwszą obserwację orbitalnego bistatycznego radaru (BSR) w Vesta.
Antena ta - High-Gain telekomunikacyjna antena (HGA) - transmitowała fale radiowe w paśmie X podczas swojej orbity Westy do anteny Deep Space Network (DSN) na Ziemi. Podczas większości misji orbitę Dawn zaprojektowano tak, aby HGA znajdowała się w linii wzroku ze stacjami naziemnymi na Ziemi. Jednak podczas okultyzmu - kiedy sonda przechodziła za Westą przez 5 do 33 minut naraz - sonda była poza tym polem widzenia.
Niemniej jednak antena nieustannie transmitowała dane telemetryczne, co powodowało odbijanie fal radaru transmitowanych przez HGA z powierzchni Westy. Ta technika, znana jako obserwacje radaru bistatycznego (BSR), była w przeszłości stosowana do badania powierzchni ciał lądowych, takich jak Merkury, Wenus, Księżyc, Mars, Księżycowy Tytan Saturna i kometa 67P / CG.
Ale jak wyjaśnił Palmer, zastosowanie tej techniki do badania ciała takiego jak Vesta było pierwszym dla astronomów:
„Po raz pierwszy przeprowadzono bistatyczny eksperyment radarowy na orbicie małego ciała, więc przyniosło to kilka wyjątkowych wyzwań w porównaniu z tym samym eksperymentem przeprowadzonym na dużych ciałach, takich jak Księżyc czy Mars. Na przykład, ponieważ pole grawitacyjne wokół Westy jest znacznie słabsze niż Mars, statek kosmiczny Dawn nie musi krążyć z bardzo dużą prędkością, aby utrzymać swoją odległość od powierzchni. Ważna jest prędkość orbitalna statku kosmicznego, ponieważ im szybsza orbita, tym bardziej zmienia się częstotliwość „echa powierzchniowego” (przesunięcie Dopplera) w porównaniu z częstotliwością „bezpośredniego sygnału” (który jest niezakłóconym sygnałem radiowym który podróżuje bezpośrednio z HGA Dawn do anten sieci kosmicznej Deep Space Network bez wypasania powierzchni Westy). Badacze potrafią odróżnić „echo powierzchniowe” od „bezpośredniego sygnału” na podstawie ich różnicy częstotliwości - więc przy wolniejszej prędkości orbity Dawna wokół Westy różnica ta była bardzo mała i wymagała więcej czasu na przetworzenie danych BSR i izoluj „echa powierzchniowe”, aby zmierzyć ich siłę. ”
Badając odbite fale BSR, Palmera i jej zespół mogli uzyskać cenne informacje z powierzchni Westy. Z tego zaobserwowali znaczące różnice w odbiciu radaru powierzchniowego. Jednak w przeciwieństwie do Księżyca, tych zmian chropowatości powierzchni nie można wyjaśnić samym kraterem i prawdopodobnie wynikało to z istnienia lodu gruntowego. Jak wyjaśnił Palmer:
„Odkryliśmy, że było to wynikiem różnic w chropowatości powierzchni w skali kilku cali. Silniejsze echa powierzchni wskazują na gładsze powierzchnie, podczas gdy słabsze echa odbijają się od szorstszych powierzchni. Kiedy porównaliśmy naszą mapę chropowatości powierzchni Westy z mapą stężeń wodoru pod powierzchnią - które zostały zmierzone przez naukowców Dawn za pomocą detektora promieniowania gamma i neutronów (GRaND) na statku kosmicznym - stwierdziliśmy, że rozległe, gładsze obszary pokrywają się z obszarami, które również miały zwiększony wodór koncentracje! ”
W końcu Palmer i jej koledzy doszli do wniosku, że obecność zakopanego lodu (przeszłego i / lub obecnego) na Westie była odpowiedzialna za gładsze części powierzchni niż inne. Zasadniczo, ilekroć uderzenie miało miejsce na powierzchni, przenosiło ono dużą ilość energii na powierzchnię. Gdyby tam był zakopany lód, stopiłby się pod wpływem uderzenia, wypłynął na powierzchnię wzdłuż pęknięć generowanych przez uderzenie, a następnie zamarzł na miejscu.
W podobny sposób, w jaki księżyc jak Europa, Ganymede i Titania doświadczają odnowy powierzchni z powodu sposobu, w jaki kriowulkanizm powoduje, że płynna woda dociera do powierzchni (tam, gdzie się zamienia), obecność lodu pod powierzchnią spowodowałaby wygładzenie części powierzchni Westy z biegiem czasu. To ostatecznie doprowadziłoby do nierównego terenu, którego świadkiem była Palmera i jej współpracowników.
Teorię tę potwierdzają duże stężenia wodoru wykryte na gładszych terenach o powierzchni setek kilometrów kwadratowych. Jest to również zgodne z dowodami geomorfologicznymi uzyskanymi ze zdjęć w ramce Dawn Framer Camera, które wykazały oznaki przejściowego przepływu wody nad powierzchnią Westy. Badanie to było również sprzeczne z niektórymi wcześniej przyjętymi założeniami dotyczącymi Westy.
Jak zauważył Palmer, może to mieć również wpływ na nasze rozumienie historii i ewolucji Układu Słonecznego:
„Oczekiwano, że asteroida Vesta już dawno wyczerpała wszelką zawartość wody w wyniku globalnego topnienia, różnicowania i intensywnego ogrodnictwa regolitowego w wyniku uderzeń mniejszych ciał. Jednak nasze odkrycia potwierdzają pogląd, że zakopany lód mógł istnieć na Westie, co jest ekscytującą perspektywą, ponieważ Vesta jest protoplanetą, która reprezentuje wczesny etap powstawania planety. Im więcej dowiadujemy się o istnieniu lodu wodnego w całym Układzie Słonecznym, tym lepiej zrozumiemy, w jaki sposób woda została dostarczona na Ziemię i ile było nieodłączne dla wnętrza Ziemi na wczesnych etapach jego powstawania ”.
Ta praca była sponsorowana przez program NASA Planetary Geology and Geophysics, wysiłek oparty na JPL, który koncentruje się na wspieraniu badań planet podobnych do Ziemi i głównych satelitów w Układzie Słonecznym. Prace zostały również przeprowadzone przy pomocy Viterbi School of Engineering USC w ramach ciągłych wysiłków na rzecz poprawy obrazowania radarowego i mikrofalowego w celu zlokalizowania podpowierzchniowych źródeł wody na planetach i innych ciałach.
