Hvordan kometstøv afslører historien om solsystemet

Vi er ikke vant til at betragte støv som et værdifuldt materiale – medmindre det kommer fra rummet. Og mere præcist, fra kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. En analyse af dets støv har givet værdifuld information om dette himmellegeme, og, mere generelt, om solsystemets historie.

Ved at bruge COSIMA-instrumentet ombord på den europæiske rumsonde Rosetta, et videnskabeligt hold granskede kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) meget detaljeret fra august 2014 til september 2016. De var interesserede i de støvpartikler, der blev slynget ud af kometens kerne og fanget af rumfartøjet, og COSIMA gjorde det muligt at studere deres sammensætning. Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i december 2017 af Royal Astronomical Society.

Undersøgelsen viser, at gennemsnitlig, halvdelen af ​​massen af ​​hver støvpartikel består af kulstofholdigt materiale med en hovedsagelig makromolekylær organisk struktur; den anden halvdel består for det meste af ikke-hydrerede silikatmineraler. Hvordan er dette resultat vigtigt eller interessant? Hvad betyder det? Var det forventet af videnskabsmænd, eller er det en total pause allerede eksisterende teorier?

Takket være Rosetta og dens instrumenter, vi har været i stand til at få en bedre idé om, hvad 67P er sammensat. Dette gælder især for gasserne i atmosfæren, takket være ROSINA-instrumentet. Under kometens rejse rundt om solen, det frigiver konstant gasser og støv, der danner en svag glorie. Dette fænomen forklares ved sublimering af is, der er indlejret i kometens kerne - de skifter direkte fra fast til gasform. Når gassen slipper ud i kometens atmosfære, det bringer små støvpartikler med sig. ROSINA har karakteriseret og kvantificeret gasserne:den er lavet af vanddamp, carbondioxid, carbonmonoxid, molekylær oxygen og et væld af små organiske molekyler hovedsageligt lavet af kulstof, brint, nitrogen- og oxygenatomer.

Andre instrumenter, såsom indbyggede kameraer og VIRTIS billedspektrometer, studerede overfladen af ​​67P. Dens strukturer er komplekse:klipper, fejl, jordskred, gruber og mere. Men frem for alt, kometoverfladen er meget mørk og har lidt is. At det er så mørkt skyldes muligvis et højt organisk kulstofindhold. I betragtning af at isen og gasserne kun repræsenterer en lille brøkdel af det samlede kometmateriale, forskerne stoler på, blandt andet, analysen af ​​de støvkorn, som kometen frigiver for at lære mere om sammensætningen af ​​kometens kerne. Dette støv er repræsentativt for kometens ikke-flygtige sammensætning, og undersøgelsen af ​​støvets kemiske egenskaber vil afspejle dem af kometens kerne.

35, 000 partikler indsamlet

COSIMA-instrumentet er en slags fysisk-kemisk mini-laboratorium, hvis funktion var at opsamle støvpartikler frigivet af kometen 67P, billed dem og mål derefter deres kemiske egenskaber ved hjælp af en overfladeanalysemetode kaldet "time-of-flight sekundær ionmassespektrometri" (TOF-SIMS). I løbet af de to år, de brugte på at kredse om kometen, dataindsamlingen var mere vellykket, end de forskere og ingeniører, der designede instrumentet for omkring 20 år siden, turde håbe på. Ja, COSIMA har samlet mere end 35, 000 partikler, der er op til 1 millimeter i diameter. Vi havde forventet mange færre og uendeligt meget mindre støvkorn.

Analysen og den videnskabelige fortolkning af de massespektrometriske målinger foretaget på en brøkdel af de indsamlede partikler (ca. 250) var lang og udfordrende. Støvets ultraporøsitet, opsamlet næsten intakt efter udstødning fra kometens overflade, har få analoger i vores laboratorier og beherskelsen af ​​TOF-SIMS-teknikken, allerede kompliceret i laboratoriet, havde vist sig at være næsten heltemodig, når den blev udført på afstand i rummet.

Ud fra disse målinger, det var muligt at udlede støvpartiklernes hovedbestanddele (ilt, kulstof, silicium, jern, magnesium, natrium, nitrogen, aluminium, kalk…), samt nogle oplysninger om den kemiske natur af nogle komponenter. Ud fra disse data, holdet viste, at hver støvpartikel (størrelser fra ~0,05 til 1 mm i diameter) indeholdt, gennemsnitlig, ca. 50 vægtprocent af organisk kulstofholdigt materiale. Dette materiale var hovedsageligt makromolekylært, hvilket betyder, at det var lavet af store strukturer sat sammen på en totalt uordnet og kompleks måde; den anden halvdel af massen består hovedsageligt af ikke-hydrerede silikatmineraler.

Ifølge målingerne, denne støvsammensætning er uafhængig af partikelopsamlingsdatoen. Med andre ord, gennemsnitlig, der er ingen forskel i sammensætningen mellem det støv, som kometen udstødte før, under eller efter dets perihelium, hvilket er hvornår, i august 2015, 67P nærmede sig nærmest solen, og hvor dens aktivitet var mest intens. Sammensætningen af ​​kometstøv er heller ikke afhængig af deres størrelse eller morfologi - "fluffy aggregater" eller mere "kompakte korn." De analyserede partikler er små fragmenter af kernen, kommer fra dens overflade samt gruber, der synker ned i kometens dybder. Derfor, den gennemsnitlige sammensætning bestemt af COSIMA afspejler højst sandsynligt den samlede flygtige-fri sammensætning af 67P's kerne. Det meste af kometstoffet er således dannet af denne intime blanding af 50-50 vægtprocent mineraler og fast kulstofholdigt materiale.

Et primitivt materiale

Disse resultater, såvel som dem, der blev opnået for 30 år siden under kometen Halleys forbiflyvning af Giotto- og Vega-sonderne, bevise, at kometer er blandt de mest kulstofrige objekter i solsystemet. Eksperter havde mistanke om dette, men dette er endelig et direkte eksperimentelt bevis. Den høje værdi af overflodsforholdet mellem kulstof og silicium målt af COSIMA er meget tæt på overflodsforholdet for disse grundstoffer målt i solens fotosfære. I øvrigt, silikaterne indeholdt i 67P-støv viser ingen nævneværdige tegn på ændring af flydende vand. Disse to observationer er et vigtigt bevis på dette kometstofs primitive karakter. Det betyder, at dette materiale næsten ikke er blevet ændret siden kometens dannelse, i modsætning til de fleste andre objekter i solsystemet. At studere det tager os tilbage til begyndelsen af ​​solsystemet, for næsten 4,5 milliarder år siden.

COSIMA-målingerne, kombineret med observationerne af de andre Rosetta-instrumenter, indikerer, at det meste af det kulstofholdige kometmateriale ikke findes i is og gasser, men i støv, i denne ikke-flygtige makromolekylære form. Dette resultat er i overensstemmelse med laboratorieanalyser af andre udenjordiske materialer, der er blevet indsamlet på Jorden - meteoritter, mikrometeoritter og interplanetariske støvpartikler. Med disse, imidlertid, den originale genstand, hvorfra disse materialer stammer, er sjældent kendt. Og frem for alt, opvarmning under den atmosfæriske indtrængning ændrer og modificerer, i hvert fald delvist, deres kulstofholdige komponenter.

COSIMAs in situ målinger og dens opsamling af støv ved lave hastigheder (få meter pr. sekund, tempoet for nogen, der jogger) har gjort det muligt fuldstændig at bevare den kemiske information. Dermed, det er muligt at sige i dag, at hvis kometer som 67P spillede en rolle i livets udseende på Jorden, især ved at bringe kulstofrigt materiale, det ville have været denne komplekse makromolekylære komponent, der dominerede det, der blev leveret.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.