Forholdet mellem kometer og jordens atmosfære afdækket

Den vanskelige, men vellykkede måling af flere isotoper af ædelgas xenon på komet 67P/Churyumov-Gerasimenko ved hjælp af det Berner-instrument ROSINA på Rosetta-sonden viser, at materialer ankom til Jorden på grund af kometpåvirkninger. Som bevist af yderligere Bern-målinger af siliciumisotoper, i begyndelsen var vores solsystem ekstremt heterogent. Den store mængde såkaldt "tungt" vand viser også, at kometis er ældre end vores solsystem.

Xenon er en farveløs, lugtfri gas, der udgør langt mindre end en milliontedel af volumen af ​​hele jordens atmosfære. Som en ædelgas, det reagerer sjældent med andre grundstoffer og har dermed en relativt stabil atomtilstand. Det er derfor en forholdsvis nøjagtig gengivelse af de forhold, der eksisterede under dannelsen af ​​vores solsystem. Xenon kan også hjælpe med at besvare det ældgamle spørgsmål om kometer:kommer materiale på jorden fra kometpåvirkninger, og i så fald i hvilket omfang?

Et forskerhold ledet af Kathrin Altwegg ved Center for Space and Habitability (CSH) ved universitetet i Bern var i stand til at vise, at xenonsammensætningen på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko er meget lig den "oprindelige xenon", der først blev anført 40 år siden, som ankom til vores planet fra kort tid efter dannelsen af ​​vores solsystem. Disse målinger, som nu vil blive offentliggjort i Videnskab , viser, at omkring en femtedel af det oprindelige xenon stammer fra kometer. Det betyder, at vi for første gang nogensinde kan tegne en kvantitativ sammenhæng mellem kometer og jordens atmosfære.

Stellar fingeraftryk

Xenon dannes i mange forskellige stjerneprocesser, inklusive supernovaeksplosioner. Hvert af disse fænomener fører til en typisk fordeling af xenon-isotoper, et specifikt "fingeraftryk". På grund af dets mange isotoper fra forskellige stjerneprocesser, xenon giver en vigtig indikation af oprindelige materialer, der udgør vores solsystem. Xenon -isotoper blev målt i Jordens og Mars atmosfærer, i meteoritter, der stammer fra asteroider, på Jupiter og i solvind - strømmen af ​​ladede partikler fra solen. Sammensætningen af ​​xenon i jordens atmosfære har mere tunge end lette isotoper, da lette isotoper kan undslippe jordens gravitationsfelt ud i rummet. Ved at korrigere denne effekt, forskere i 1970'erne beregnede den originale sammensætning af denne ædelgas, det såkaldte indfødte xenon, der engang dominerede jordens atmosfære. Dette oprindelige xenon indeholder langt færre tunge isotoper, og sammensætningen af ​​de lette isotoper er lig med xenon, der kommer fra asteroider og solen. Det blev derfor antaget, at indfødt xenon i jordens tidlige atmosfære havde en anden oprindelse end de på det tidspunkt observerede objekter i solsystemet. Dette er nu bekræftet af ROSINA-målinger på Rosetta-sonden ved kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, et iskoldt "fossil" fra det tidlige solsystem.

Vanskelig mission

"Søgningen efter xenon på kometer var nok en af ​​de vigtigste og sværeste målinger fra ROSINA", siger Kathrin Altwegg, ROSINA -projektleder ved Center for plads og levedygtighed (CSH) ved University of Bern. "Det faktum, at vi har løst en del af et 40 år gammelt mysterium ved at gøre det, gør det endnu mere givende". Xenon er yderst sjældent i kometens allerede tynde atmosfære. Rosetta -sonden måtte således flyve rigtig tæt på kometen i uger - 7 til 10 km fra centrum - så ROSINA kunne opfange tilstrækkeligt signal til en klar måling af de syv mest almindelige isotoper. Risikoen hermed var, at den tætte støvsky omkring kometen kunne have udløst sondens navigationssystem. ROSINA formåede at identificere syv xenon-isotoper samt forskellige andre ædelgasser. Analyse af dataene viste, at den kometiske xenon, der blev frosset under dannelsen af ​​kometen, adskiller sig fra sammensætningen, der findes i solsystemet, såvel som fra den sammensætning, der findes i dag i jordens atmosfære. Sammensætningen af ​​det kometære xenon er højst sandsynligt lig med sammensætningen af ​​det indfødte xenon i Jordens tidlige atmosfære. Imidlertid, der er visse forskelle mellem de to sammensætninger, hvilket får forskere til at tro, at det oprindelige xenon kommer dels fra kometer og dels fra asteroider:"For første gang var vi i stand til at etablere en kvantitativ forbindelse mellem kometer og vores jords atmosfære – ifølge hvilken 22 pct. af jordens oprindelige, atmosfærisk xenon stammer fra kometer, mens resten kommer fra asteroider", opsummerer Altwegg.

Ingen modsætning til vand

Disse fund modsiger ikke ROSINAs isotopmåling i vandet på kometen, som var væsentligt anderledes end det oprindelige vand. Da xenon kun er tilgængelig i spor i atmosfæren, mens Jorden indeholder enorme mængder vand i havene og atmosfæren, kometer kunne helt sikkert have bidraget til xenon fundet på Jorden uden at ændre det oprindelige vand for meget. "Xenon-fundene understøtter også ideen om, at organisk materiale kom til Jorden gennem kometer - såsom fosfor og aminosyren glycin, som begge blev fundet på kometen af ​​ROSINA - hvilket potentielt var afgørende for udviklingen af ​​liv på Jorden," siger Altwegg. Ultimativt, forskellen mellem komet-xenon og xenon fundet i solsystemet indikerer, at den såkaldte protosolar nebula, der fører til dannelsen af ​​solen, planeter og små kroppe, var et kemisk ret heterogent sted. "Dette understøtter tidligere målinger fra ROSINA, såsom den uventede opdagelse af molekylært oxygen (O2) eller molekylært svovl (S2)" siger Altwegg.

Anden publikation bekræfter fund

I en anden publikation, en forskergruppe ledet af Martin Rubin (CSH) var i stand til at vise, at silicium på kometen ikke viser det gennemsnitlige isotopforhold i vores solsystem. ROSINA -dataene viser således, at materiale fra det tidlige solsystem stammer fra forskellige forgængerstjerner. Som med xenon, det betyder, at den kemiske sammensætning af det tidlige solsystem var heterogen, således ikke "ensartet" blandet som tidligere antaget. Den anden publikation udkommer i Astronomi og astrofysik . ROSINA havde allerede opdaget siliciumatomer i kometens gashylster tidligt i missionen. Disse siliciumatomer blev forstøvet fra overfladen af ​​kometen af ​​den indvirkende solvind. En præcis analyse af Martin Rubin fra CSH har nu vist, at siliciumisotoper også udviser en anomali sammenlignet med solsilicium. De tunge siliciumisotoper er mindre almindelige i sammenligning med blandingen, der findes nær solen og meteoritter. Dette tyder på, at kometer er dannet i et område af protosoltågen, der viser en ikke-solar kemisk sammensætning - og dermed potentielt har overtaget materiale fra en anden stjerne eller supernova i nærheden.

Selv kometvand kommer fra hinsides

En tredje publikation, der også for nylig blev offentliggjort, viser endegyldigt med brugen af ​​hydrogenisotoper, at kometvand-såkaldt "tungt" vand (D2O)-blev dannet før solsystemets dannelse og blev frosset som præ-solis i kometer. Disse resultater blev offentliggjort i en specialudgave af "Philosophical Transaction of the Royal Society, London".

"Vores resultater i alle tre undersøgelser har opfyldt hovedformålet med Rosetta-missionen, nemlig at finde kvantitativ indikation af dannelsen af ​​jorden og vores solsystem for første gang ”siger Altwegg.