Ruimtesonde reist af naar de aardkern

In Jules Vernes verhaal ‘Reis naar het middelpunt van de aarde’ gaan de excentrieke professor Otto Lidenbrock, zijn neef Axel en gids Hans naar het middelpunt van de aarde via een IJslandse vulkaan. En na vele gevaarlijke avonturen wordt het trio door een vulkaan in Italië weer uitgespuwd.

Meer dan 150 jaar zijn verstreken sinds Jules Verne zijn beroemde sciencefictionroman schreef, maar een reis naar het middelpunt van de aarde zit er nog steeds niet in.

We zijn er slechts in geslaagd 12 kilometer diep te boren en we zullen nooit bij de kern van ijzer en nikkel komen – die geologen dus ook niet kunnen bestuderen om te achterhalen hoe die gevormd werd.

Daarom kijken onderzoekers nu naar de ruimte, want de planetoïden bevatten alle bouwstenen waaruit de rotsplaneten Mercurius, Venus, aarde en Mars zijn ontstaan.

De afgelopen 20 jaar hebben astronomen sondes gestuurd naar rotsplanetoïden met een samenstelling die lijkt op die van de aardmantel. En ook koolstofplanetoïden, die de aarde waarschijnlijk van zowel water als leven voorzagen, zijn bezocht.

Maar we hebben nog nooit een metaalplanetoïde bezocht. Daarom stuurt NASA nu de sonde Psyche op een ruimtereis van 2,4 miljard kilometer naar een gelijknamige planetoïde.

De planetoïde Psyche bestaat vooral uit metaal, dus ze kan de kern van een planetesimaal – een miniplaneet – zijn, die bloot kwam te liggen door een botsing met een andere.

Omdat we dus niet naar het binnenste van de aarde kunnen duiken, zoals professor Lidenbrock, biedt de reis naar Psyche de beste kans om een ijzerkern van dichtbij te bestuderen.

Zonnestelsel is een schiettent

Psyche is een reus in de vorm van een aardappel. Met 277 kilometer lengte en gemiddeld 223 kilometer breedte is de metaalplanetoïde zo zwaar dat ze 1 procent bezit van alle massa van de planetoïdengordel tussen Mars en Jupiter, waar zeker 1 miljoen planetoïden rondvliegen.

Planetoïden zijn overblijfselen van de vorming van het zonnestelsel, en om te begrijpen hoe ze de aardkern weerspiegelen, moeten we terug in de tijd reizen naar de vorming ervan.

De zon ontstond 4,6 miljard jaar geleden uit een wolk van stof en gas die instortte tot een ster. De resten van de wolk belandden in een schijf die rond de evenaar van de zon draaide. Hier klonterde het stof samen tot steentjes, daarna tot rotsblokken en ten slotte tot planetesimalen zo groot als de maan.

Het dichtst bij de zon werden de planetesimalen zozeer verhit – zowel van buiten door zonlicht als van binnen door radioactief verval – dat ze volledig smolten. Hierdoor bewogen zware metalen als ijzer en nikkel naar de kern toe, die van vloeibaar ijzer werd met een mantel van lichter, gesmolten gesteente eromheen.

Verder weg in het zonnestelsel konden de planetesimalen hun radioactieve hitte de koude ruimte in stralen. Ze smolten dus niet, en de koolstofplanetoïden die van deze planetesimalen afkomstig zijn, bevatten de meest oorspronkelijke bouwstenen van de rotsplaneten: losjes samengekitte steentjes en rotsblokken.

In het begin botsten de planetesimalen in het binnenste zonnestelsel steeds op elkaar, en de grootste groeiden doordat ze brokstukken van de botsingen aantrokken.

Rond de 4,56 miljard jaar geleden waren de vier binnenste rotsplaneten gevormd en hadden ze hun baan goeddeels ontdaan van planetesimalen en hun restanten, die ofwel naar de zon trokken ofwel in de planetoïdengordel tussen Mars en Jupiter belandden.

In het nabije deel van de planetoïdengordel zijn er vooral rotsplanetoïden, die ontstaan uit de mantel van verpletterde planetesimalen. Deze kregen als eerste bezoek van een sonde.

De Japanse sonde Hayabusa ging in 2005 naar de rotsplanetoïde Itokawa en kwam vijf jaar later terug met een piepklein monster. De analyse ervan bevestigde dat rotsplanetoïden uit dezelfde mineralen bestaan als de aardmantel.

In 2020 dropte de sonde Hayabusa-2 een capsule met 5,4 gram planetoïdenstof in een woestijn in Australië. Het monster kwam dieper uit de planetoïdengordel, van de koolstofplanetoïde Ryugu, en volgend jaar bezorgt de Amerikaanse sonde OSIRIS-REx ons 400 gram stof en gruis van een andere koolstofplanetoïde, Bennu.

Waarnemingen van de Hayabusa-2 en Ryugu tonen aan dat de planetesimalen waaruit de koolstofplanetoïden bestaan, veel water bevatten, en dat vooral Bennu ook rijk is aan organisch materiaal.

Volgens onderzoekers kunnen het water op aarde en de kiemen van het leven dan ook afkomstig zijn van de inslag van koolstofplanetoïden.

Aardkern is ontoegankelijk

Door de planetoïden te bestuderen, gaan onderzoekers dus ook de oorspronkelijke bouwstenen van de aardkorst en -mantel na.

Maar de tegenhangers van de binnenste ijzerkern van de aarde, de metaalplanetoïden, moeten we nog bezoeken.

De gemiddelde afstand van de bodem tot het middelpunt van de aarde is 6371 kilometer, en de kern begint op 2885 kilometer diepte. De buitenkern bestaat vooral uit vloeibaar ijzer en nikkel, en wekt door te draaien het beschermende aardmagnetisch veld op, terwijl de binnenkern door de enorme druk uit massief metaal bestaat.

Tot nu toe is de kern alleen indirect bestudeerd via seismische metingen, dus planeetwetenschappers gaan graag naar de grote metaalplanetoïde Psyche.

De planetoïde kan de ijzerkern van een verbrijzelde planetesimaal zijn, en uitwijzen hoe de aarde en de andere drie rotsplaneten – Mercurius, Venus en Mars – in de begintijd van het zonnestelsel aan hun ijzerkern kwamen.

Volgens de theorie gebeurde dit op dezelfde manier als in de planetesimalen: het binnenste van de rotsplaneten smolt en de zware metalen zakten weg naar de kern. En de metaalplanetoïde kan details van dat proces aan het licht brengen die op aarde onmogelijk te bestuderen zijn.

Psyche wordt mysterieuzer

Toen NASA in 2017 het startsein gaf voor de Psychemissie, waren planetologen er al tientallen jaren van overtuigd dat de planetoïde een kale metaalkern was van een verbrijzelde planetesimaal.

Ze dachten dat 90 procent van de massa van de planetoïde uit zuiver metaal bestond. En daar waren goede argumenten voor.

Ten eerste weerkaatst Psyches oppervlak radargolven veel sterker dan zowel rots- als koolstofplanetoïden, waaruit blijkt dat de bodem vooral bestaat uit ijzer en nikkel, net als de aardkern.

Maar vorig jaar barstte dit simpele beeld toen Lauri Siltala van de Finse universiteit van Helsinki en Mikael Granvik van de Zweedse universiteit van Luleå metingen aan tien kleine planetoïden publiceerden die van 1974 tot 2019 vlak bij de grote metaalplanetoïde waren.

Door de ontmoeting met het zwaargewicht veranderde de baan van de kleine planetoïden, maar niet zo sterk als wanneer Psyche een massieve klomp ijzer was geweest.

De twee planetologen berekenden de dichtheid van de planetoïde op 3,9 gram per cm³, wat de helft is van de dichtheid van ijzer. Dit duidt erop dat slechts 30 tot 60 procent van Psyches massa uit ijzer en nikkel bestaat.

Daarop hebben wetenschappers nieuwe theorieën geopperd over de oorsprong en ontwikkeling van Psyche.

De heersende theorie is dat de metaalkern van een verbrijzelde planetesimaal materiaal uit de vergruisde mantel aantrok, en zo een dunne korst van rots en metaal vormde die snel stolde.

IJzervulkanen van de nog gloeiend hete metaalkern spuwden stromen vloeibaar ijzer en nikkel uit door scheuren in de korst. En omdat gesmolten metaal zeer dun is, kwam het een heel eind.

Uiteindelijk koelde de metaalplanetoïde af in de ruimte, van buitenaf naar binnen toe, tot ook de vloeibare metalen kern stolde.

De ijzervulkaantheorie kan verklaren waarom de planetoïde goeddeels bedekt is met zuiver metaal. Maar het blijft gissen, want het is niet zeker of ijzervulkanisme überhaupt bestaat.

Sonde zal Psyches raadsel oplossen

De 2,6 ton wegende sonde wordt gelanceerd op de grootste SpaceX-raket, de Falcon Heavy. Het precieze tijdstip ligt nog niet vast, maar mogelijk wordt het juli of september 2023.

De reis naar Psyche is alleen mogelijk dankzij een nieuw type ionenmotor, een Hallmotor genoemd, die de brandstof, het edelgas xenon, zeer efficiënt gebruikt. Daardoor is een tank van slechts 922 kilo gas voldoende voor de hele reis van 2,4 miljard kilometer en de daaropvolgende baan rond de metaalplanetoïde.

Als de sonde een gewone ionenmotor had, zou hij vijfmaal zo veel brandstof moeten vervoeren, en zou het prijskaartje van 1 miljard dollar vijfmaal zo hoog zijn geweest.

Het mysterie van Psyches oorsprong en structuur kan opgelost worden als de sonde 3,5 jaar na de lancering rond de metaalplanetoïde gaat draaien.

De sonde krijgt drie onderzoeksinstrumenten mee en gaat radiocommunicatie met de aarde gebruiken om de massaverdeling van de planetoïde te berekenen.

Dit gebeurt via zwaartekrachtmetingen – de massaverdeling in Psyches binnenste zal de baan van de sonde beïnvloeden, wat aan de radiosignalen te zien zal zijn.

De metingen zullen uitwijzen of de massa geconcentreerd is in een zware kern van ijzer en nikkel met lichter gesteente eromheen, zoals de onderzoekers vermoeden.

De magnetometer van de sonde kan uitwijzen of Psyche gemagnetiseerd is. Als dat zo is, bewijst dit dat de metaalplanetoïde begon als ijzerkern in een planetesimaal, want als vloeibaar ijzer door de rotatie van de miniplaneet in de kern circuleerde en een magnetisch veld opwekte, werd dat veld bij het stollen van de planetoïde in magnetische deeltjes gevangen.

Dat kan aantonen of de planetesimaal een miniatuurversie van de aardkern in zich droeg.

De camera van de sonde gaat Psyche niet alleen van dichtbij fotograferen, maar zal ook ultraviolette en nabij-infrarode straling van de bodem meten. Als de kale metaalkern steen en gruis uit de verbrijzelde mantel aantrok en een dunne korst van gesteenten vormde, zal uit de metingen blijken om welke mineralen het gaat.

Zo komen we ook te weten of ijzervulkanen daarna delen van het oppervlak met vloeibaar metaal bedekten.

De vlucht rond Psyche zal 21 maanden duren, waarbij de sonde vanaf zijn aanvankelijke afstand van 700 kilometer steeds dichterbij komt.

Als de sonde op slechts 85 kilometer boven het oppervlak zweeft, zullen wetenschappers dichter bij de kern van de aarde zijn – of iets wat er op lijkt – dan ooit tevoren. De afstand van de aardbodem tot de kern is 2800 kilometer langer.

Het onderzoek kan dus een revolutie teweegbrengen in onze kennis over de vorming van de aarde en de andere rotsplaneten en hun metaalkern in het jonge zonnestelsel.

Dus al kunnen we niet naar het hart van de aarde afzakken zoals Jules Vernes professor Lidenbrock, toch kunnen onderzoekers de structuur van de planeet in detail bestuderen. De reis gaat alleen de andere kant op – de ruimte in.