Il colore di Arrokoth

Arrokoth è stato visitato dalla sonda della NASA New Horizons il 1 gennaio 2019, con uno storico fly-by.
L'oggetto ruota in 15,9 ore, inclinato di di 99,3° rispetto alla sua orbita di 298 anni ad una distanza media dal Sole di 44,2 UA. Segue un percorso quasi circolare, con una eccentricità media di 0,03 ed un'inclinazione di 2,4° rispetto al piano dell'ecclittica.
E' un KBO (Kuiper belt objects) classificato nel cosiddetto kernel della popolazione "a freddo in modo dinamico". Questi oggetti hanno orbite simili ai pianeti e per questo si pensa che si siano formati più vicino al Sole di quanto non lo siano ora, successivamente spinti ai confini del nostro sistema a seguito della formazione dei pianeti giganti. Sono principalmente corpi binari e si contraddistinguono per la colorazione rossa uniforme. Generalmente, non sono grandi ed hanno un albedo superiore rispetto agli altri KBO,
Tutte queste caratteristiche indicano che devono essere nati nella fascia più esterna della nebulosa protoplanetaria.

Durante il fly-by, Arrokoth si trovava a 43,28 UA dal Sole.
Il telescopio / spettrometro visibile ed infrarosso Ralph di New Horizons ha fornito informazioni sul colore e la composizione superficiale.
Questo strumento, il cui nome deriva dalla vecchia serie tv "The Honeymooners, è all'esterno della sonda ed è costituito da un unico telescopio che alimenta due piani focali: una fotocamera multispettrale nel visibile e vicino IR (MVIC) e il Linear Etalon Imaging Spectral Array (LEISA), uno spettrometro che lavora su lunghezza d'onda corta ed IR.
La fotocamera MVIC ha catturato immagini in quattro filtri "BLU" (400-550 nm), "ROSSO" (540-700 nm), "NIR" (780-975 nm) e “CH4” (860-910 nm), purtroppo non condivise con il pubblico nel loro formato raw. Quelle alla più alta risoluzione sono state ottenute alle 5:14 UTC del 1 gennaio 2019, da 17.200 chilometri, con una scala di 340 metri per pixel ed angolo di fase 15,5°. LEISA, invece, ha mostrato Arrokoth con un filtro variabile tra 1,2 a 2,5 µm., acquisendo la sua migliore risoluzione spettrale alle 4:58 UTC poco prima di MVIC, con 1,9 chilometri per pixel ed angolo di fase 12,6*. Nel frattempo, la fotocamera digitale Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) garantiva un reportage completo.
Durante il sorvolo, anche REX (Radio Science EXperiment) eseguiva due misurazioni per osservare il calore emesso dall'oggetto nella banda X.

Nel visibile, MVIC ha mostrato che Arrokoth è rosso con poche e piccole variazioni cromatiche.
Il lobo più piccolo appare mediamente più rosso del lobo più grande, soprattutto nei pressi di una depressione di circa 6 chilometri che potrebbe essere un cratere da impatto, chiamato informalmente "Maryland".

La rappresentazione a colori qui sopra è basata sul set di immagini CA05 cioè quelle riprese da MVIC alla massima risoluzione.
Il primo a sinistra è un frame di LORRI scattato durante la stessa sequenza in cui l'oggetto ha una geometria quasi identica a quelle delle foto a colori ma è più definito (83 metri per pixel contro i 340 metri per pixel di MVIC). Qui sono indicate tutte le denominazioni informali: SL è il piccolo lobo; MD Maryland, LA Louisiana, dr è una depressione, LL il lobo più grande, bm materiale brillante, ND North Dakota, sp spot.
L'immagine centrale è una rappresentazione a colori (in falsi colori N.d.R.) in cui Il filtro BLU (400-550 nm) viene visualizzato in blu, il filtro ROSSO (540-700 nm) in verde e filtro NIR (780-975 nm) in rosso.
A destra, una mappa delle variazioni cromatiche, dove le piccole aree meno rosse, appaiono blu. Tra queste, c'è la zona del collo dove si intersecano i due lobi e le caratteristiche Louisiana e North Dakota. La depressione sul grande lobo è più rossa della media. I punti luminosi (sp) sembrano avere, invece, colori distinti anche se non appaiono tutti uguali. Alcuni sono un po' più rossi della media mentre altri lo sono meno. La mancanza di un modello cromatico coerente suggerisce che potrebbero essere derivati ​​dalla consegna di materiali diversi durante gli impatti con altri oggetti.

Personalmente ho pensato di offrirvi una vista un po' inedita Arrokoth: uno stack in negativo dei migliori frame ripresi da LORRI e rilasciati nel catalogo ufficiale, Questa visualizzazione aiuta a percepire meglio i dettagli della superficie che nell'oggetto sono poco pronunciati e scarsamente evidenziati dalla colorazione uniforme.

Crediti: ASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Processing: Elisabetta Bonora / aliveuniverse.today

Ma cos'è che rende questo oggetti ai confini del nostro Sistema Solare così rossi?
La colorazione rossa sui corpi planetari è spesso attribuita ad una sostanza chiamata "tholin" (tolina), un termine creato da Carl Sagan nel 1979 per descrivere i materiali esotici sulla superficie di Titano.
Le toline si formano per irraggiamento da parte della radiazione solare ultravioletta di composti organici semplici come metano o etano, spesso combinati con sostanze inorganiche quali l'azoto molecolare. Non esistono in natura sulla Terra ma sono state ricreate in laboratorio. Il colore dipende dal rapporto tra le diverse molecole e dalla quantità ed il tipo di radiazione a cui il materiale è esposto. Il colore può andare dal giallo, al rosso, al nero. Ne avevamo parlato molto anche quando New Horizons restituì le immagini di Plutone e della sua luna principale Caronte.

L'immagine qui sopra mostra a sinistra l'istogramma del colore di Arrokoth che, come si può vedere, è coerente con il colore della sua stessa famiglia di oggetti. A destra, le macro-famiglie di KBO sono state invece rappresentate all'interno dello spazio colore basato sui filtri Sloan g, r e z (un sistema fotometrico usato sui telescopi professionali come Hubble). Da qui si evince che, pur essendo Arrokoth coerente con il kernel, si trova in realtà quasi a metà tra i due raggruppamenti principali. Il simbolo del Sole (pallino giallo) corrisponde ad una riflettanza neutra nelle lunghezze d'onda del visibile.

Nell'articolo "Color, Composition, and Thermal Environment of Kuiper Belt Object (486958) Arrokoth" (Pubblicato nel 2020 in Science DOI:10.1126/science.aay3705) da cui queste informazioni sono state tratte, gli autori analizzano anche i dati di LEISA e di REX per cercare di comprendere la storia di Arrokoth.

LEISA ha prodotto dati ad una risoluzione decisamente più bassa e le informazioni ottenute non sono altro che una media grossolana di pixel adiacenti che lascia incertezza.
In generale, lo spettro prodotto manca delle forti caratteristiche di assorbimento notate nel sistema di Plutone (le principali sono state individuate vicino a 1,5–1,6, 1,8, 2,0–2,1, 2,27 e 2,34 μm). Quindi, la squadra ha lavorato su vari modelli noti di sostanze, toline incluse, per cercare di definire il materiali in superficie. Secondo gli autori, la combinazione di carbonio amorfo e toline può essere compatibile con il complesso albedo e forma spettrale ma le simulazioni con le costanti ottiche di materiali classificati, come le toline che si formano nell'atmosfera della luna di Saturno Titano, non hanno generato risultati soddisfacenti tanto che gli autori scrivono "qualsiasi materiale scuro, spettralmente neutro sarebbe ugualmente coerente con i dati". L'aggiunta di ghiacci di metanolo (CH3OH), acqua (H2O) e ammoniaca (NH3) nelle simulazioni spiega molte delle caratteristiche di assorbimento osservate, così come piccole quantità di altri ghiacci (H2CO, CO2 o C2H6) potrebbero essere compatibili con i dati, o le fasi di silicati e metalli viste nelle comete e nella polvere interplanetaria.
Un'evidenza più convinta di CH3OH si è manifestata quando il team ha selezionato alcune regioni ed ha lavorando più in dettaglio trovando bande di assorbimento a  2,271 μm e 2,3338 μm, già riscontrate in osservazioni terrestri su un centauro, 5145 Pholus.
In tutti gli spettri estratti l'assorbimento per H2O è risultato praticamente nullo ma, analizzando il contrasto spettrale ripulito quanto più possibile da fattori esterni ed artefatti, sono stati notati dati significativi intorno a 1.5 e 2 μm dove il ghiaccio H2O ha le sue bande di assorbimento più forti all'interno della gamma spettrale LEISA. I ricercatori ipotizzano pertanto che le variazioni regionali dell'assorbimento di ghiaccio d'acqua potrebbero essere la fonte più importante di varianza spettrale attraverso la superficie di Arrokoth, forse più abbondante attorno al cratere Maryland. 

REX ha invece osservato Arrokoth sul lato diurno durante l'avvicinamento, sul lato notturno in allontanamento dal fly-by con una geometria più favorevole e ad una distanza più ravvicinata.
In base alle analisi, la zona del collo, pur risultando generalmente oscurata durante le orbite e ricevendo quindi minore energia rispetto alla zona equatoriale, risulta comunque riscaldata dal calore intrappolato e quindi riemesso dei due lobi.

Concludendo, secondo lo studio, la colorazione quasi uniforme di Arrokoth è coerente con le aspettative per un oggetto che si è accumulato troppo rapidamente perché la composizione dei solidi nebulari disponibili sia cambiata nel corso del suo accrescimento. Ci si aspettava un'impiallacciatura superficiale scura e alterata dalle intemperie dello spazio distinta dall'interno più incontaminato di cui, tuttavia, non si è trovata alcuna evidenza. L'abbondanza di ghiaccio CH3OH e l'apparente scarsità di ghiaccio H2O sembrano essere le firme di un ambiente distinto nel piano intermedio freddo e polveroso della nebulosa esterna durante la formazione del Sistema Solare. In questa regione, le temperature sarebbero state abbastanza basse da congelare CO e CH4 volatili sui grani di polvere, consentendo la produzione di CH3OH e forse anche la distruzione di H2O. Quando la polvere nebulare si sarebbe dissipata, qualche tempo dopo la nascita di Arrokoth, l'esposizione alla luce solare avrebbe aumentato la sua temperatura, scacciando rapidamente CO e CH4 condensati. La temperatura è rimasta troppo fredda per cristallizzare ghiaccio d'acqua amorfo, in cui le specie volatili sarebbero potute rimanere intrappolate.
Sebbene la regione del collo diventi leggermente più calda rispetto al resto della superficie di Arrokoth, questo effetto è piccolo rispetto al contrasto di temperatura inverno-estate ed è quindi improbabile che spieghi l'albedo nettamente più alto e il materiale leggermente meno rosso che si vede in quella zona. Una spiegazione più plausibile per l'albedo del collo e per i suoi contrasti cromatici, potrebbe essere legata ad una trama diversa indotta dalla fusione dei due lobi o dal conseguente movimento di materiale discendente.

Color, composition, and thermal environment of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth [abstract]

The outer Solar System object (486958) Arrokoth (provisional designation 2014 MU69) has been largely undisturbed since its formation. We studied its surface composition using data collected by the New Horizons spacecraft. Methanol ice is present along with organic material, which may have formed through irradiation of simple molecules. Water ice was not detected. This composition indicates hydrogenation of carbon monoxide–rich ice and/or energetic processing of methane condensed on water ice grains in the cold, outer edge of the early Solar System. There are only small regional variations in color and spectra across the surface, which suggests that Arrokoth formed from a homogeneous or well-mixed reservoir of solids. Microwave thermal emission from the winter night side is consistent with a mean brightness temperature of 29 ± 5 kelvin.