Forskere bruger stråler af myoner til at analysere grundstofsammensætningen af ​​asteroide Ryugu-prøver

Stenprøver bragt tilbage til Jorden fra asteroiden Ryugu har fået deres grundstofsammensætning analyseret ved hjælp af en kunstigt genereret myonstråle fra partikelacceleratoren i J-PARC. Forskere fandt en række vigtige elementer, der var nødvendige for at opretholde liv, herunder kulstof, nitrogen og oxygen, men fandt også, at iltmængden i forhold til silicium i asteroiden Ryugu var forskellig fra alle meteoritter, der er blevet fundet på Jorden, rapporterer en ny undersøgelse i Videnskab .

I 2014 blev den ubemandede asteroideudforsker Hayabusa 2 opsendt i rummet af Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) med en mission om at bringe prøver tilbage fra asteroiden Ryugu, en type C-asteroide, som forskerne troede var rig på kulstof. Efter at have landet på Ryugu og indsamlet prøver, vendte Hayabusa 2 tilbage til Jorden i december 2020 med prøver intakte.

Siden 2021 har forskere kørt de første analyser af prøverne, ledet af University of Tokyo professor Shogo Tachibana. Opdelt i flere hold har forskere studeret prøverne på forskellige måder, herunder stenformer, elementarfordeling og mineralsammensætning.

I denne undersøgelse, ledet af Tohoku University Professor Tomoki Nakamura, professor Tadayuki Takahashi og kandidatstuderende Shunsaku Nagasawa fra Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), University of Tokyo, i samarbejde med High Energy Accelerator Research Organization (KEK) Institute for Materials Structure Science, Osaka University, Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Kyoto University, International Christian University, Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) og Tohoku University, har anvendt elementaranalysemetoder ved hjælp af negative muoner, elementarpartikler produceret af acceleratoren hos J-PARC.

De anvendte elementaranalysemetoden ved hjælp af negative myoner på sten fra asteroiden Ryugu, hvilket lykkedes med ikke-destruktivt at bestemme deres grundstofsammensætning.

Dette var vigtigt, for hvis asteroider i solsystemet blev bygget i begyndelsen af ​​dannelsen af ​​selve solsystemet, så ville de stadig tilbageholde information om den gennemsnitlige grundstofsammensætning på det tidspunkt, og derfor om hele solsystemet.

Analyse af meteoritter, der er faldet til Jorden, er blevet udført tidligere, men det er muligt, at disse prøver er blevet forurenet af Jordens atmosfære. Så indtil Hayabusa 2 vidste ingen, hvad den kemiske sammensætning af en asteroide var med sikkerhed.

Men forskerne stod over for en udfordring. På grund af den begrænsede mængde prøver og det store antal andre forskere, der ønskede at studere dem, var de nødt til at finde en måde at køre deres analyser på uden at beskadige dem, så prøverne kunne videregives til andre grupper.

Holdet havde udviklet en ny metode, som involverede skydning af en kvantestråle, eller specifikt en stråle af negative myoner, produceret af en af ​​verdens største højenergipartikelacceleratorer J-PARC i Ibaraki præfekturet, Japan, for at identificere de kemiske elementer i følsomme prøver uden at bryde dem.

Takahashi og Nagasawa anvendte derefter statistiske analyseteknikker i røntgen-astronomi og partikelfysiske eksperimenter for at analysere myonkarakteristisk røntgen.

Muoner er en af ​​de elementære partikler i universet. Deres evne til at trænge dybere ind i materialer end røntgenstråler gør dem ideelle til materialeanalyse. Når en negativ myon fanges af den bestrålede prøve, dannes et muonatom. De muoniske røntgenstråler, der udsendes fra de nye muoniske atomer, har høj energi, og kan derfor påvises med høj følsomhed. Denne metode blev brugt til at analysere Ryugu-prøverne.

Men der var en anden udfordring. For at forhindre, at prøverne blev forurenet af jordens atmosfære, var forskerne nødt til at holde prøverne ude af kontakt med ilt og vand i luften. Derfor var de nødt til at udvikle en eksperimentel opsætning, hvor prøven blev indkapslet i et kammer af heliumgas. Kammerets indvendige vægge var foret med rent kobber for at minimere baggrundsstøjen, når prøverne blev analyseret.

I juni 2021 blev 0,1 gram Ryugu-asteroide bragt ind i J-PARC, og forskerne kørte deres muon røntgenanalyse, som producerede et energispektrum. I den fandt de de grundstoffer, der var nødvendige for at producere liv, kulstof, nitrogen og oxygen, men de fandt også, at prøven havde en sammensætning svarende til den for kulholdige chondrit (CI chondrit) asteroider, som ofte omtales som standarden for faste stoffer i solsystemet. Dette viste, at Ryugu-stenene var nogle af de tidligste sten, der var dannet i vores solsystem.

Men mens sammensætningen svarer til CI-kondritter, var Ryugu-prøvens oxygenmængde i forhold til silicium omkring 25 procent mindre end CI-kondrittens. Forskerne siger, at dette kunne indikere, at den overskydende iltmængde i forhold til silicium i CI-kondriter kunne være kommet fra forurening, efter at de kom ind i Jordens atmosfære. Ryugu-sten kunne sætte en ny standard for materie i solsystemet. + Udforsk yderligere

Støvkorn fra asteroiden Ryugu ældre end vores solsystem