Acqua, atmosfera, criovulcani: le nuove scoperte di Dawn su Cerere

Un antico vulcano di ghiaccio alto 4 chilometri, un'atmosfera transiente, un cratere con un fondale di acqua ghiacciata e molto altro: i nuovi dati trasmessi da Dawn rivelano che Cerere è un mondo ben più complesso e dinamico di quanto previsto.

Criovulcanismo

La Framing Camera a bordo di Dawn ha mappato più del 99% della superficie di Cerere a una risoluzione spaziale di 35 metri. Usando le osservazioni stereoscopiche di Dawn per costruire un modello tridimensionale di Cerere, gli scienziati hanno potuto esplorare la complessa geomorfologia del pianeta nano. Tra le varie strutture osservate da Dawn, gli scienziati sono rimasti particolarmente colpiti da Ahuna Mons, un rilievo alto 4 chilometri e largo 17 che si erge praticamente dal nulla.

In alto, un modello digitale di Ahuna Mons; al centro, una foto stereoscopica; in basso, una mappa geologica della regione.

Le immagini di Dawn rivelano la presenza di depressioni e dorsali alla base della montagna e vaste frane lungo le sue pendici, indicative della caduta di materiale. Queste e altre osservazioni suggeriscono che Ahuna Mons sia in realtà una cupola viscosa di natura criovulcanica.

"I modelli indicano che l'estrusione di materiale fuso altamente viscoso può portare alla formazione di un carapace friabile nei pressi della cima," scrivono i ricercatori. "La fratturazione e la disintegrazione parziale del carapace possono generare detriti lungo le pendici, e il rilassamento del nucleo duttile della cupola a causa della gravità plasma il profilo topografico del rilievo. Modellare quest'ultima fase di rilassamento della cupola richiede la presenza di materiale estruso ad alta viscosità, il che è in linea con la morfologia della montagna."

A sinistra, una mappa altimetrica di Ahuna Mons; a destra, il profilo della montagna lungo due sezioni trasversali.

Le cupole vulcaniche come Ahuna Mons si formano quando grandi quantità di materiale fuso affiorano in superficie, ma, invece di esplodere o espandersi rapidamente, si compattano a formare un'unica struttura.

L'assenza di crateri lungo Ahuna Mons suggerisce che si tratti di una struttura molto giovane, in termini geologici. Gli scienziati sospettano che sia formata nell'ultimo miliardo di anni, forse addirittura nelle ultime centinaia di milioni di anni. L'ultima attività vulcanica, invece, sarebbe avvenuta tra 180 e 240 milioni di anni fa.

La concentrazione di liquidi criomagmatici all'interno di Cerere sarebbe stata favorita dalla presenza di sali idrati caratterizzati da basse temperature eutettiche e ridotte conduttività termiche. Questi sali, secondo la ricostruzione operata dagli scienziati, sarebbero il risultato di un'alterazione globale da parte dell'acqua - uno dei processi più importanti nell'evoluzione di Cerere, ancora oggi impresso nei minerali secondari osservati sulla superficie.

Acqua

La bassa densità di Cerere - circa 2162 chilogrammi al metro cubo - è indicativa di un'abbondante presenza di acqua. Gli astronomi sospettano che all'interno di Cerere si nasconda uno strato ricco di acqua ghiacciata, che potrebbe diventare liquida nel mantello. La presenza di uno strato di acqua porterebbe alla produzione di vari minerali idrossidi (contenenti OH) e idrati (contenenti H2O), come argille, carbonati e vari sali. Non a caso, gli astronomi erano riusciti a identificare nei dati di Dawn numerosi materiali idrossidi. Ora, nuove analisi delle osservazioni raccolte tra 0,25 e 5,1 micrometri di lunghezza d'onda dallo strumento italiano VIR hanno portato all'identificazione di tre bande d'assorbimento - a 1,28, 1,65 e 2,0 micrometri - caratteristiche della molecola d'acqua all'interno del piccolo cratere Oxo, un bacino da impatto largo 10 chilometri. Si tratta della prima misurazione diretta della presenza di acqua (non in forma di vapore) sulla superficie di Cerere.

A sinistra, lo spettro del cratere Oxo, in blu, confrontato con lo spettro di un blocco di acqua ghiacciata, in nero. A destra, il cratere osservato dalla Framing Camera.

Oxo è un cratere geologicamente giovane, risalente al massimo a 10 milioni di anni fa. La sua elevata latitudine (44 gradi nord) comporta condizioni di illuminazione parziale che sono ottimali per la presenza stabile di acqua in superficie.

Quattro diversi spettri del cratere Oxo ottenuti il 1° e il 4 Maggio e il 6 e il 9 Giugno 2015. Lo spettro in nero è la media globale di Cerere.

Gli astronomi hanno analizzato quattro possibili meccanismi in grado di creare o trasportare acqua su Cerere. Il primo, quello dell'esposizione di depositi di acqua in seguito a impatti asteroidali o frane in superficie, è ritenuto il più probabile. Un altro scenario plausibile è che Cerere abbia attività di sublimazione simili a quelle dei nuclei cometari; tuttavia, non è chiaro se l'acqua sarebbe poi in grado di condensarsi nuovamente sulla superficie. Altre due ipotesi meno probabili è che l'acqua sia stata portata da corpi esterni, oppure che sia dovuta all'interazione tra la superficie e i protoni del vento solare.

Atmosfera

Nell'arco di sei giorni, lo strumento GRaND a bordo di Dawn ha riscontrato una misteriosa accelerazione negli elettroni del vento solare, il continuo flusso di particelle cariche provenienti dal Sole. Secondo gli scienziati, la spiegazione più semplice è che Cerere sia avvolto da una debole e transiente atmosfera; la presenza di un involucro gassoso, per quanto rarefatto, è in linea con le osservazioni del telescopio spaziale Herschel, che tra il 2012 e il 2013 aveva osservato una nube di vapore acqueo sospesa al di sopra della superficie del pianeta nano. Detto questo, gli astronomi non escludono che altri meccanismi possano essere all'opera.

"Dawn ha rivelato che Cerere è un mondo molto vario che ha chiaramente avuto attività geologiche nel suo recente passato," spiega Chris Russell, a capo della missione. "Siamo molto emozionati di poter approfondire questa e altre scoperte su un mondo così affascinante."

Fillosilicati

Che la superficie di Cerere ospitasse abbondanti quantità di fillosilicati lo si sapeva già da prima dell'arrivo di Dawn, grazie alle osservazioni eseguite dalla Terra. Dawn si è però rivelata fondamentale nel mappare la distribuzione e nel risalire all'origine di questi silicati idrati.

Usando i dati raccolti dallo strumento italiano VIR a bordo di Dawn, gli astronomi hanno potuto mappare la distribuzione spaziale di vari minerali presenti sulla superficie di Cerere, basandosi sulle loro caratteristiche d'assorbimento spettrale negli infrarossi e nel visibile.

Mappe della distribuzione di fillosilicati, in alto, e dello ione ammonio, in basso.

"Abbiamo riscontrato che i fillosilicati contenenti magnesio e ammonio sono onnipresenti sulla superficie di Cerere e che la loro composizione chimica è abbastanza uniforme," scrivono i ricercatori. "La presenza diffusa di questi due tipi di minerali è una forte indicazione di un intenso e globale processo di alterazione acquosa - ovvero la presenza di acqua a un certo punto della storia di Cerere. Nonostante i fillosilicati osservati siano omogenei in quanto a composizione, abbiamo trovato delle variazioni nell'intensità delle loro strutture d'assorbimento a 3 micrometri di lunghezza d'onda. È probabile che siano dovute a variazioni spaziali nell'abbondanza relativa dei minerali."

Una mappa dell'albedo di Cerere a 0.55 nanometri di lunghezza d'onda.

Gli astronomi hanno notato che, laddove i fillosilicati sono più presenti, come nel cratere Kerwan, la superficie risulta generalmente più liscia, mentre laddove i fillosicati sono meno abbondanti, come nel cratere Yalode, la superficie è a tratti liscia e a tratti accidentata, nonostante i due crateri siano simili in termini di dimensioni.

Un confronto tra il cratere Haulani, in alto, e il cratere Dantu, in basso. A destra, lo spettro di ciascun cratere.

Le variazioni riscontrate in alcuni dei crateri più giovani, come il bacino Haulani, largo 34 chilometri, sono indicative di variazioni crostali che si estendono in verticale fino a qualche chilometro di profondità. Nei crateri più grandi, come Dantu, largo 126 chilometri, tali stratificazioni potrebbero estendersi fino a profondità di decine di chilometri.

Geomorfologia

L'approfondita ricognizione completata da Dawn ha rivelato un mondo geologicamente differenziato, con un cuore di silicati avvolto da un mantello ricco di acqua. Il volto di Cerere è costellato di crateri, molti dei quali presentano superfici fratturate.

Varie immagini a 140 metri di risoluzione: (A) il cratere Occator, (B) una rete di fratture lineari, (C) una cupola geologica, (D) un piccolo dosso, (E) un flusso lobato.

"Un'analisi del rapporto tra la profondità e il diametro dei crateri con fratture mostra che sono insolitamente poco profondi rispetto alla media di Cerere," scrivono i ricercatori. "Ciò è compatibile con un rialzamento del loro fondale in seguito all'intrusione di criomagma."

Una mappa della geologia di Cerere.

Gli stessi materiali criomagmatici, secondo i ricercatori, potrebbero essere responsabili anche della formazione di una serie di spaccature osservate da Dawn che non risultano essere orientate in maniera radiale rispetto ai crateri da impatto.

Tre crateri fratturati: da sinistra, Dantu, Azacca e Lociyo. In basso: a sinistra, il rapporto profondità-diametro dei crateri fratturati; a destra, il profilo topografico del cratere Lociyo.

Dawn ha osservato un gran numero di cupole geologiche, alcune larghe meno di dieci chilometri, e altre più di cento. Sorprendente è anche la varietà dei loro profili.

"Se un unico meccanismo di formazione è responsabile della loro comparsa è ancora una domanda aperta," proseguono i ricercatori. "L'estrusione criovulcanica è plausibile per le cupole più grandi, ma è probabile che quelle più piccole siano frammenti di impatti."

Il cratere Occator a una risoluzione spaziale di 140 metri.

Una delle più interessanti regioni è il cratere Occator, largo 92 km e situato a 19.9 gradi nord di latitudine e 239.1 gradi est di longitudine, in corrispondenza della nube di vapore acqueo osservata da Herschel. Il cratere si distingue per la presenza di numerose chiazze biancastre, che oggi sappiamo essere depositi di sale rimasti sulla superficie in seguito all'evaporazione di un bacino di acqua liquida esposto o dall'impatto che generò il cratere o da una serie di frane. Molte delle chiazze sono associate alla presenza di fratture lungo il fondale di Occator; tuttavia, l'area più luminosa è situata in un fosso largo 9 chilometri e profondo 1 situato al centro del cratere. Nel cuore del fosso si erge un rilievo di circa 400 metri. Simili strutture sono state osservate sia su Ganimede che Callisto; gli scienziati ritengono che siano dovute a un rialzamento del terreno durante l'impatto oppure a successive intrusioni criomagmatiche.

Crosta

Studiando i crateri di Cerere, Dawn è riuscita a ottenere preziose informazioni sulle proprietà della crosta che avvolge il pianeta nano. Dawn ha osservato escursioni altimetriche di 15 chilometri, colline, fosse tettoniche, ripide montagne e, soprattutto, una grande varietà di crateri. Crateri poligonali, crateri a forma di scodella, crateri fratturati, terrazzamenti, rilievi centrali, superfici lisce, flussi di materiale, aree biancastre, crateri secondari e catene di crateri: chi più ne ha, più ne metta.

La straordinaria varietà di crateri su Cerere.

"La morfologia di alcuni crateri da impatto è compatibile con la presenza di acqua ghiacciata nel sottosuolo," spiegano i ricercatori. "Nonostante sia possibile che ciò abbia portato al rilassamento della superficie, ci sono anche dei grandi crateri che non mostrano segni di rilassamento. La transizione da crateri semplici a crateri complessi avviene tra 7,5 e 12 chilometri di diametro."

Una mappa della densità spaziale dei crateri larghi oltre 20 km.

Stupisce l'assenza di crateri larghi oltre 300 km, ma è probabile che due depressioni quasi-circolari larghe 570 chilometri l'una siano antichi bacini da impatto erosi a tal punto da essere quasi irriconoscibili.

Le probabilità che un corpo di oltre 5 km si schianti contro Cerere (in rosso) o Vesta (la precedente meta di Dawn, in nero) a una determinata velocità.

"Ci sono molti più crateri nell'emisfero settentrionale. Poiché le aree a più bassa densità di crateri si estendono attraverso molte latitudini diverse, non è possibile che il rilassamento sia dovuto semplicemente alle temperature equatoriali più elevate. Proponiamo invece che il rilassamento sia dovuto agli impatti stessi, ma non siamo in grado di escludere un'origine interna, o endogena."

Un'immagine a una risoluzione di 415 metri mostra numerosi crateri poligonali in prossimità di fratture lineari (indicate dalle frecce bianche).

La conclusione, dunque, è che la crosta di Cerere non è né puro ghiaccio, né pura roccia, ma più probabilmente un misto dei due che consente un rilassamento solo parziale della superficie.

Oggi, 2 Settembre 2016, Dawn riaccenderà il suo motore a ioni per iniziare la scalata verso una nuova orbita polare a 1470 km di quota.

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