Иллюстрация, на которой показан космический аппарат Hayabusa2, извлекающий образец с поверхности астероида Рюгу. Автор: Акихиро Икешита
Представьте себе, что вы открываете капсулу времени в надежде узнать о далеком прошлом. Только вместо коробки или сундука это астероид, который может дать представление о самом начале жизни на Земле.
Именно с такой ситуацией столкнулись исследователи, использующие Advanced Light Source (ALS). Поскольку ALS является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики (DOE), работающая там команда видит много необычных предметов: от материалов для солнечных батарей до частиц, подвергшихся воздействию лесных пожаров. Но даже для этой команды образец с астероида был необычным.
К счастью, инновационные инструменты, доступные в ALS, позволили им оказать поддержку ученым, изучающим историю этих камней, доставленных из космоса.
Так же, как изучение горных пород на Земле может рассказать нам о ранней истории Земли, изучение примитивных малых тел, таких как астероиды, метеориты и кометы, может рассказать нам об истории нашей Солнечной системы.
Хондриты — особенно полезный тип метеорита. Они недифференцированы и химически примитивны. Породы в них восходят к пыли и мелким зернам в ранней солнечной системе, которые объединились, чтобы сформировать большое родительское тело.
Определенный тип хондритов (называемых углеродистыми хондритами) сохраняет относительно обильные химические вещества, которые легко испаряются, включая углерод и воду. Это строительные блоки жизни на Земле. Изучая эти сохранившиеся материалы, ученые могут исследовать один из фундаментальных вопросов человечества: «Откуда мы произошли?»
Команда, использующая ALS, исследовала образец с поверхности астероида углеродистого типа, Рюгу. Они ожидали, что этот астероид будет похож на метеориты углеродистого хондрита. Рюгу находится относительно близко к Земле по сравнению с астероидами в главном поясе между Марсом и Юпитером.
Ученые выдвигают гипотезу, что Рюгу — это астероид-куча обломков. Они считают, что он образовался, когда объект столкнулся с его родительским телом, а затем выброшенные камни снова объединились в новый астероид. После этого процесса астероид переместился из главного пояса на околоземную орбиту.
Космический аппарат «Хаябуса-2» Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) собрал образцы из двух мест на поверхности Рюгу в 2019 году и вернул их на Землю в 2020 году. В ходе кураторской работы в JAXA было обнаружено в общей сложности 5,4 г образца.
Агентство выделило небольшую часть образца группе первоначального анализа Hayabusa2, состоящей из около 400 ученых по всему миру. Хикару Ябута из Университета Хиросимы возглавлял одну из шести подгрупп группы первоначального анализа.
Ультратонкие срезы частиц астероида прибыли в ALS в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США. ALS позволяет ученым точно идентифицировать элементы и молекулы внутри материалов. Он использует ускоритель частиц для получения необычайно ярких рентгеновских лучей. Подобно рентгеновским снимкам в кабинете врача, они раскрывают информацию о том, что находится внутри объекта. Но вместо того, чтобы просто выделять кости, эти рентгеновские лучи позволяют ученым исследовать химические и структурные свойства самого вещества.
Сначала команда тщательно просканировала образец длинными горизонтальными рядами — как текст в книге — с помощью рентгеновских лучей. Измеряя, как рентгеновские лучи меняются по мере сканирования, ученые смогли идентифицировать отдельные зерна органического материала в образце астероида. Эти зерна были крошечными — всего в 100 раз больше нити ДНК.
После того, как ученые идентифицировали интересующие их зерна, они использовали рентгеновские лучи, чтобы выявить тип химических связей в зернах органического углерода. В этом случае исследователи использовали этот процесс для картирования различных элементов и функциональных групп (определенных расположений атомов) в образце.
На основе этого анализа ученые обнаружили четыре различных типа углеродных соединений, а также различные типы структур. После идентификации этих материалов ученые сравнили их с похожими метеоритами, историю которых они уже знали.
Сопоставление всех этих данных позволило им составить общую историю астероида в ранней солнечной системе, которая образовалась около 4,6 млрд лет назад. Химический состав органического углерода в образцах показал, что органическое вещество Рюгу возникло в результате изменения предшественников этого вещества во время химической реакции с жидкой водой на родительском теле астероида.
Изотопы углерода в образцах показали, что органические предшественники пришли из чрезвычайно холодной среды космоса (около -200°C). Команда была первой, кто доказал прямую связь между органическим веществом в углеродистом астероиде и аналогичным органическим веществом в примитивных углеродистых хондритах (метеоритах).
В частности, отсутствовал один тип материала — графит. Графит — это известная форма углерода, используемая в грифелях карандашей. В астероидах графит или графитоподобный материал является признаком того, что углерод образовался в результате радиогенного нагрева в родительских телах в течение нескольких миллионов лет. Его отсутствие предполагает, что образец, собранный с астероида, никогда не подвергался воздействию тепла выше 390°F (200°C).
Изучение материала с Рюгу было не первым и, вероятно, не последним случаем, когда ученые будут использовать ALS для детального изучения камней из космоса. Исследователи использовали ALS для анализа частиц пыли с кометы 81P/Wild 2, собранных космическим аппаратом NASA Stardust в 2006 году.
Они обнаружили, что кометная пыль содержала органическое вещество. Это вещество состояло из азот- и кислородсодержащих химических связей, а также типов органического вещества, похожего на то, что наблюдалось у астероида Рюгу и других хондритовых метеоритов.
Эти исследования продемонстрировали инструменты и методы, которые оказались полезными для анализа образцов, подобных тем, что были получены в ходе миссии NASA OSIRIS-REx. Эта миссия собрала образцы с астероида Бенну. Осенью 2023 года они были возвращены на Землю. Недавно агентство опубликовало каталог образцов для изучения учеными.
ALS и другие источники света позволяют нам проводить линии от самой ранней истории нашей солнечной системы до сегодняшнего дня. Проливая свет на объекты в нашей нынешней солнечной системе, ученые и пользовательские объекты Управления науки Министерства энергетики США однажды могут помочь нам лучше понять, как Земля стала пригодной для жизни.
Информация от: Министерством энергетики США
