Gav varme fra påvirkning af asteroider ingredienserne til livet på Jorden?

En forskergruppe fra Kobe University har påvist, at den varme, der genereres ved nedslaget fra et lille astronomisk legeme, kunne gøre det muligt at ændre vandig vand og dannelse af organisk faststof på overfladen af ​​en asteroide. De opnåede dette ved først at udføre højhastighedskratereksperimenter ved at bruge et asteroidelignende målmateriale og måle varmefordelingen efter anslaget omkring det resulterende krater. Ud fra disse resultater, de etablerede derefter en tommelfingerregel for maksimal temperatur og varigheden af ​​opvarmningen, og udviklet en varmeledningsmodel ud fra dette.

Forskergruppen bestod af følgende medlemmer fra Kobe Universitets Graduate School of Science; Foredragsholder YASUI Minami, TAZAWA Taku (en 2. års kandidatstuderende på forskningstidspunktet), HASHIMOTO Ryohei (dengang en 4. års bachelor ved Det Naturvidenskabelige Fakultet) og professor ARAKAWA Masahiko, foruden JAXA Space Exploration Center's associerede seniorforsker OGAWA Kazunori (som var teknisk specialist ved Kobe University på tidspunktet for undersøgelsen).

Disse resultater har udvidet det rumlige og tidsmæssige område, over hvilket de nødvendige betingelser for vandig ændring og dannelse af organisk faststof kunne forekomme. Dette forventes at øge antallet af potentielle astronomiske kroppe betydeligt, der kunne have bragt vand og livets oprindelse til Jorden.

Disse forskningsresultater blev offentliggjort i det britiske videnskabelige tidsskrift Kommunikation Jord og miljø den 18. maj, 2021.

Hovedpunkter

• Forskerne brugte porøs gips som en imiteret asteroide og indsatte flere termoelementer i den. De udførte højhastighedspåvirkningseksperimenter på dette mål ved stødhastigheder på 1 km/s og derover, og det lykkedes at måle ændringer i temperaturvarighed omkring det resulterende krater kort efter nedslag.
• Dette afslørede, at uanset slaghastigheden og projektilets størrelse og tæthed, den maksimale temperatur og dens varighed var afhængig af dimensionsløs afstand (afstanden fra anslagspunktet skaleret af kraterradius).
• Ved at bruge ovenstående resultater, forskerne beregnede de tidsmæssige ændringer i termisk varmefordeling efter kraterets dannelse på asteroidens overflade. Disse beregninger tydede på, at i afstande inden for 2 astronomiske enheder, vandig ændring kan forekomme, hvis krateret har en radius på over 20 km, og organisk fast dannelse kan understøttes af kratere på over 1 km.
• Disse fund vil gøre det muligt at betragte et øget antal astronomiske kroppe som kandidater til vandkilden og organiske stoffer, der er nødvendige for begyndelsen af ​​livet på Jorden.

Forskningsbaggrund

Det menes, at vandet og organiske stoffer, der er nødvendige for, at livet kan begynde på Jorden, var et resultat af en komet eller asteroide, der påvirkede planeten. Mineraler og organiske stoffer, der har oplevet vandige ændringer, er blevet opdaget i meteoritter (hvorfra asteroider stammer), bevis for, at de engang indeholdt vand. Imidlertid, en varmekilde er nødvendig for de kemiske reaktioner, der forårsager vandige ændringer og organisk faststofdannelse inde i asteroider.

En tilstrækkelig stærk varmekilde er den radioaktive henfaldsopvarmning af ²⁶ Al, et kortvarigt radioaktivt nuklid fundet inde i klipper. Imidlertid, det siges, at den radioaktive opvarmning, der forårsagede vandig ændring og fast dannelse på asteroide-moderlegemer (*4), kun kunne være sket i begyndelsen af ​​solsystemets historie på grund af den korte halveringstid af ²⁶ Al (720, 000 år).

I de seneste år, teorien om, at den stødvarme, der genereres, når et lille astronomisk legeme rammer en asteroide, også kunne være en levedygtig varmekilde, er begyndt at få opmærksomhed. Imidlertid, det vides ikke, hvor meget varme der genereres afhængigt af det astronomiske legemes karakteristika (størrelse, massefylde, nedslagshastighed) og hvor langt inde i asteroiden denne genererede varme transmitteres. Indtil nu, der har ikke været undersøgelser, der eksperimentelt har undersøgt denne varmedannelse og udbredelsesproces for at afgøre, om vandig ændring og dannelse af organisk stof ville være mulig.

Forskningsmetodik

Denne forskergruppe gennemførte laboratorieforsøg for at undersøge forholdet mellem slagvarmen, der genereres på en asteroide (som følge af et lille astronomisk legems påvirkning) og påvirkningens egenskaber. For målet, de brugte gips (et porøst mineral bestående af calciumsulfatdihydrat) til at efterligne en asteroide. De fremskyndede projektiler ved målet ved høje slaghastigheder på mellem 1 km/s til 5 km/s ved hjælp af Kobe Universitets to-trins vandrette gaspistol (figur 1). Der blev sat flere termoelementer i gipsmålet for at måle temperaturændringerne efter stødet. I denne række af eksperimenter, forskerne ændrede størrelsen, massefylde, projektilernes anslagshastighed og termoelementernes positioner for at undersøge forskellene i varmevarighed afhængig af anslagets karakteristika (Figur 2).

Fra grafen for varighed af varighed forskergruppen undersøgte den maksimale temperatur og dens varighed, og så på, hvordan dette forholdt sig til påvirkningsegenskaberne (figur 3). Ved at bruge den dimensionsløse afstand opnået ved at normalisere afstanden fra anslagspunktet (hvor projektilet ramte målet) med kraterradius, de har med succes bestemt, hvordan maksimal temperatur og dens varighed ændres af slagegenskaber og kom med en tommelfingerregel for dette. Efterfølgende konstruere en varmeledningsmodel, der inkorporerer denne tommelfingerregel, gjorde dem i stand til at beregne varmefordelingen omkring krateret dannet på asteroideoverfladen (figur 4). Forskergruppen kontrollerede de numeriske resultater fra varmeledningsmodellen i forhold til data om den nødvendige varme og varighed for vandig ændring og dannelse af organisk faststof opnået fra tidligere analyser af meteoritter. Disse resultater viste, at vandig ændring kunne forekomme, hvis et krater med en radius på over 20 km blev dannet inden for 2au fra solen. Ud over, de vurderede, at selv et lille krater med en radius på 100 m på en asteroide inden for 4au kunne varme op til 100 grader Celsius, hvilket betyder, at det kunne understøtte organisk fast dannelse. De fleste asteroider er placeret inden for 4 au. Forskerne fandt også ud af, at hvis der dannes et krater med en radius på over 1 km inden for 2au, kraterets omkreds kan varme op til 0 grader Celsius (temperaturen, hvor is bliver til vand), således at organiske faste stoffer kan dannes.

Yderligere udviklinger

Det menes, at radioaktivt henfald opvarmning af ²⁶ Al udløser de kemiske reaktioner for vandig ændring og dannelse af organisk faststof på asteroider. Imidlertid, denne opvarmning kan kun forekomme nær kernen af ​​forholdsvis store asteroider, der er titusinder af kilometer i diameter. Desuden, det siges, at dette kun kunne være sket inden for en million år efter solens dannelse på grund af den korte halveringstid af ²⁶ Al. På den anden side, kollisioner mellem asteroider forekommer stadig i dag, og det er muligt, at sådanne kollisioner opvarmer overfladen af ​​selv små asteroider, forudsat at nedslaget ikke ødelægger selve asteroiden. Med andre ord, disse forskningsresultater viser, at potentialet for asteroider til at understøtte vandige ændringer og organisk fast dannelse er midlertidigt og rumligt langt større end tidligere antaget. Dette vil bidrage til, at et øget antal astrologiske kroppe betragtes som kandidater, der bragte vandet og organiske stoffer til begyndelsen af ​​livet på Jorden.

Dernæst håber forskergruppen at undersøge prøver returneret fra asteroideudforskningsmissioner udført ikke kun af Japan, men også andre lande. Hvis der skulle opdages vandigt ændrede mineraler eller organiske stoffer i de indsamlede prøver, dette kan give tegn på effektvarmeeffekter.