Hvad skete der før, under og efter dannelsen af ​​solsystemet? Asteroid Ryugu-undersøgelsen indeholder svarene

Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Hayabusa2-mission returnerede ukontaminerede primitive asteroideprøver til Jorden. En omfattende analyse af 16 partikler fra asteroiden Ryugu afslørede mange indsigter i de processer, der fungerede før, under og efter dannelsen af ​​solsystemet, hvor nogle stadig former overfladen af ​​den nuværende asteroide.

Elementære og isotopiske data afslørede, at Ryugu indeholder det mest primitive pre-solar nebular (en gammel skive af gas og støv, der omgiver det, der ville blive solen) materiale, der endnu er identificeret, og at nogle organiske materialer kan være blevet nedarvet fra før solsystemet dannedes. Blandt de identificerede organiske materialer var aminosyrer, som er byggestenene i de proteiner, der er i alt levende på Jorden. Opdagelsen af ​​proteindannende aminosyrer i ukontaminerede asteroideprøver indikerer, at asteroider som Ryugu kan have sået Jorden med de råmaterialer, der kræves for livets oprindelse.

Ydermere gav Ryugu-prøver både fysiske og kemiske beviser for, at Ryugu stammede fra et stort (mindst flere 10'er km) iskoldt legeme i det ydre solsystem, som oplevede vandig ændring (komplekse kemiske reaktioner, der involverede flydende vand). Det iskolde legeme blev derefter brudt op for at give et kometlignende fragment (flere km i størrelse). Fragmentet udviklede sig gennem sublimering af is for at give den tørre porøse asteroide observeret i dag. Efterfølgende ændrede rumforvitring, der involverede bombardement af asteroiden med partikler fra solen og fjerne stjerner, overfladematerialerne, såsom organisk stof, for at give materialer med en særskilt albedo (reflekterende egenskaber), der definerer, hvordan asteroiden i øjeblikket ser ud.

Asteroider og kometer repræsenterer det materiale, der blev tilbage efter dannelsen af ​​de planeter, der kredser om solen. Sådanne kroppe ville oprindeligt have dannet sig i en enorm skive af gas og støv (protosolar nebular) omkring det, der i sidste ende ville blive til solen (protosun) og kan således bevare spor om de processer, der fungerede i denne periode af solsystemet.

Den protosolare nebular ville have snurret hurtigst mod sit centrum, og dette ville have koncentreret meget af materialet i denne region. Noget af materialet begyndte derefter at falde ned på overfladen af ​​protosunen, hvilket øgede dens temperatur. Den højere temperatur af protosolen ville have ført til en øget output af stråling, hvilket kunne have forårsaget fotofordampning (fordampning på grund af energi fra lys) af materialet i det indre solsystem.

Senere, da det indre solsystem afkøledes, kondenserede nyt materiale med distinkte sammensætninger til det, der havde været til stede før. Til sidst ville sådanne materialer klæbe sammen for at producere store legemer (planetesimaler), som derefter ville bryde op fra kollisioner med nogle dannede S-type asteroider. En S-type asteroide (Itokawa) var målet for Hayabusa-missionen, forgængeren til Hayabusa2. Prøverne, der blev returneret til Jorden, afslørede meget om sådanne asteroider, herunder hvordan deres overflader påvirkes af kontinuerlige små nedslag og bekræftelse af identifikation foretaget gennem teleskoper på Jorden.

Haybusa2 var rettet mod en meget anden type asteroide, C-type, som i modsætning til S-typer bevarer langt mere af det primitive ydre solsystemmateriale, som var meget mindre påvirket af opvarmning fra protosolen. De første jordbaserede teleskop- og fjernmålingsoplysninger fra Hayabusa2-rumfartøjet antydede, at Ryugu kan indeholde organisk stof og små mængder vand (klæbet til overfladen af ​​mineraler eller indeholdt i deres struktur).

Imidlertid er C-type asteroider utrolig svære at studere ved hjælp af sådanne metoder, fordi de er meget mørke, og de resulterende data har meget lidt information, der kan bruges til at identificere specifikke materialer. Som sådan repræsenterede prøveafkastet et meget vigtigt skridt i at forbedre vores forståelse af C-type asteroider. Omkring 5,4 g prøve blev returneret til Jorden i december 2020, og prøverne blev oprindeligt undersøgt på Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) fase-1-kurationsfacilitet i Sagamihara, Japan. Omfattende geokemisk analyse blev påbegyndt i juni 2021, da prøverne var ankommet til fase-2-kurationsfaciliteten i Pheasant Memorial Laboratory (PML), Institute for Planetary Materials, Okayama University, Japan.

I første omgang blev prøvernes ydre og fysiske information opnået, men kort efter blev partiklerne skåret op ved hjælp af en mikrotom udstyret med en diamantkniv. Indeni afslørede partiklerne teksturer, der tyder på fryse-optøning og en finkornet masse af forskellige mineraler, med nogle grovkornede komponenter, der er spredt overalt. Størstedelen af ​​mineralerne var vandholdige silikater kaldet phyllosilicater (ler), som blev dannet gennem kemiske reaktioner, der involverede ikke-vandholdige silikatmineraler og flydende vand (vandig ændring). Sammen med fryse-tø-teksturerne indikerede beviset, at prøverne havde oplevet både flydende og frosset vand tidligere.

Den vandige ændring viste sig at have toppet før ~2,6 Myr efter dannelsen af ​​solsystemet, gennem analyse af mangan og krom i magnetit (jernoxid) og dolomit (calcium-magnesiumcarbonat) mineraler. Det betyder, at materialerne fra Ryugu oplevede flydende vand meget tidligt i solsystemets historie, og varmen, der smeltede isen, ville være blevet tilført fra radioaktive grundstoffer, der kun overlever i en relativt kort periode (næsten alt ville være væk efter 5 Myr ).

Efter at en stor del af de radioaktive grundstoffer var henfaldet, ville kroppen afkøle og fryse igen. Ryugu indeholder også chrom-, calcium- og oxygenisotoper, der indikerer, at den har bevaret den mest primitive kilde til materialer fra protosolar-nebulæren. Ydermere registrerer organiske materialer fra Ryugu primitive isotopiske signaturer, der tyder på deres dannelse i det interstellare medium (området i rummet mellem solsystemer) eller den ydre protosolar nebular. Sammen med det rigelige vand og manglen på noget indre solsystemmateriale eller signaturer, tyder ovenstående fund på, at materialet i Ryugu blev klistret sammen (akkreteret) og vandagtigt ændret meget tidligt i det ydre solsystem.

Men for at danne flydende vand, fra opvarmning af et stenet-iskoldt legeme ved radioaktivt henfald, kræver det, at kroppen er mindst flere 10 km i størrelse. Derfor må Ryugu oprindeligt have været en del af en meget større krop, kaldet en planetesimal. Iskolde planetesimaler menes at være kilden til kometer, som kan dannes ved deres kollisionsbrud. Hvis den planetesimale forløber for Ryugu blev påvirket, efter at den var genfrosset, så kunne der produceres en komet, der bevarer mange af planetesimalens oprindelige teksturer og fysiske og kemiske egenskaber.

Som en komet ville fragmentet have haft behov for at bevæge sig fra det ydre til det indre solsystem ad en eller anden dynamisk vej, der involverede planeternes interaktioner. En gang i det indre solsystem ville Ryugu have gennemgået betydelig sublimering (overgang af fast is til gas). Modellering i en tidligere undersøgelse indikerede, at sublimeringen kunne øge hastigheden, hvormed Ryugu spinder og føre til dens karakteristiske spinning top-form. Sublimeringen kunne også have ført til dannelsen af ​​vanddampstråler (som set på kometen 67P), som ville have genaflejret underjordisk materiale på overfladen og frosset det på plads.

Ydermere kan jetflyene muligvis forklare nogle interessante forskelle mellem de prøveudtagningssteder, hvor Ryugu-prøverne blev opnået. Hayabusa2-missionen udtog materiale fra selve overfladen ved touch-down-sted 1 (TD1) og højst sandsynligt underjordisk materiale fra et kunstigt nedslagskrater ved touch-down-sted 2 (TD2). Nogle af TD1-prøverne viser elementær fraktionering ud over mm-skalaen og spredte B- og Be-overflod. Imidlertid registrerer alle TD2-prøver elementære overflod svarende til CI-kondritter (en type meteorit med elementære overflod svarende til solen) og viser ingen tegn på elementær fraktionering over mm-skalaen. En forklaring er, at TD1-stedet registrerer materialet, der er medført i en stråle, bragt til overfladen af ​​det kometlignende fragment fra mange forskellige områder af undergrunden og repræsenterer således en lang række sammensætninger. I mellemtiden kan TD2-prøverne repræsentere materiale fra én del af Ryugu og som sådan have en mere ensartet sammensætning.

Efter fuldstændig sublimering af isen ved overfladen af ​​Ryugu blev der dannet en klippeasteroide med lav tæthed og meget porøs. Mens vandrelaterede processer ophørte, begyndte rumforvitring. Ryugus overflade blev over tid bombarderet af store mængder energiske partikler fra solvind og kosmiske stråler fra solen og fjerne stjerner. Partiklerne modificerede materialerne på overfladen af ​​Ryugu, hvilket fik det organiske stof til at ændre sig med hensyn til dets struktur. Effekterne af en sådan proces var mere tydelige i TD1-partikler fra overfladen af ​​Ryugu sammenlignet med dem fra TD2, som sandsynligvis var blevet bragt til overfladen under skabelsen af ​​et kunstigt nedslagskrater. Som sådan er rumforvitring en proces, der stadig former overfladerne på asteroider i dag og vil fortsætte med at gøre det i fremtiden.

På trods af virkningerne af rumforvitring, som virker til at ændre og ødelægge informationen indeholdt i organisk materiale, blev primitive organiske materialer også påvist ved den omfattende geokemiske analyse af Ryugu-prøverne. Aminosyrer, såsom dem, der findes i proteinerne i enhver levende organisme på Jorden, blev påvist i en Ryugu-partikel. Opdagelsen af ​​proteindannende aminosyrer er vigtig, fordi Ryugu ikke har været udsat for jordens biosfære, som meteoritter, og som sådan beviser deres påvisning, at i det mindste nogle af byggestenene i livet på Jorden kunne være blevet dannet i rummiljøer.

Hypoteser om livets oprindelse, såsom dem, der involverer hydrotermisk aktivitet, kræver kilder til aminosyrer, hvor meteoritter og asteroider som Ryugu repræsenterer stærke kandidater på grund af deres beholdning af aminosyrer, og fordi sådant materiale let ville være blevet leveret til overfladen af tidlig jord. Ydermere tyder de isotopiske egenskaber ved Ryugu-prøverne på, at Ryugu-lignende materiale kunne have forsynet Jorden med dens vand, en anden ressource, der er afgørende for oprindelsen og opretholdelsen af ​​liv på Jorden.

I forbindelse med resultaterne rapporteret af undersøgelsen giver uvurderlig indsigt i de processer, der har påvirket den mest primitive asteroide, der er udtaget af menneskelig art. Sådanne indsigter er allerede begyndt at ændre vores forståelse af de begivenheder, der fandt sted fra før solsystemet og frem til i dag. Fremtidigt arbejde med Ryugu-prøverne vil uden tvivl fortsætte med at fremme vores viden om solsystemet og videre.

Forskningen blev offentliggjort i Proceedings of the Japan Academy . + Udforsk yderligere

To hold rapporterer om undersøgelse af Hayabusa2-asteroideprøver