Vi är inte vana vid att betrakta damm som ett värdefullt material – om det inte kommer från rymden. Och mer exakt, från kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. En analys av dess damm har gett värdefull information om detta himlaobjekt, och, mer allmänt, om solsystemets historia.

Med COSIMA-instrumentet ombord på den europeiska rymdsonden Rosetta, ett forskarlag granskade kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) i detalj från augusti 2014 till september 2016. De var intresserade av dammpartiklarna som kastades ut från kometens kärna och fångades av rymdfarkosten, och COSIMA gjorde det möjligt att studera deras sammansättning. Resultaten av deras forskning publicerades i december 2017 av Royal Astronomical Society.

Studien visar att, i genomsnitt, hälften av massan av varje stoftpartikel består av kolhaltigt material med en huvudsakligen makromolekylär organisk struktur; den andra hälften består till största delen av icke-hydratiserade silikatmineraler. Hur är detta resultat viktigt eller intressant? Vad innebär det? Var det förväntat av forskare eller är det ett totalt avbrott i befintliga teorier?

Tack vare Rosetta och dess instrument, vi har kunnat få en bättre uppfattning om vad 67P består av. Detta gäller särskilt för gaserna i dess atmosfär, tack vare ROSINA-instrumentet. Under kometens resa runt solen, det släpper kontinuerligt ut gaser och damm som bildar en svag gloria. Detta fenomen förklaras av sublimeringen av isar som är inbäddade i kometens kärna - de ändras direkt från fast till gasformigt tillstånd. När gasen flyr in i kometens atmosfär, det för med sig små dammpartiklar. ROSINA har karakteriserat och kvantifierat gaserna:den är gjord av vattenånga, koldioxid, kolmonoxid, molekylärt syre och en mängd små organiska molekyler huvudsakligen gjorda av kol, väte, kväve- och syreatomer.

Andra instrument, såsom inbyggda kameror och VIRTIS-bildspektrometern, studerade ytan av 67P. Dess strukturer är komplexa:klippor, fel, jordskred, gropar och mer. Men framför allt, kometytan är mycket mörk och har lite is. Att det är så mörkt beror möjligen på en hög halt av organiskt kol. Med tanke på att isarna och gaserna bara representerar en liten del av den totala kometmateria, forskarna litar på, bland annat, analysen av dammkornen som frigörs av kometen för att lära dig mer om kometens kärna. Detta stoft är representativt för kometens icke-flyktiga sammansättning, och studiet av stofts kemiska egenskaper kommer att återspegla de hos kometens kärna.

35, 000 partiklar samlade in

COSIMA-instrumentet är ett slags fysikalisk-kemiskt minilaboratorium, vars funktion var att samla dammpartiklar som släppts ut av kometen 67P, avbilda dem och mät sedan deras kemiska egenskaper med en ytanalysmetod som kallas "time-of-flight sekundär jonmasspektrometri" (TOF-SIMS). Under de två år som tillbringade i kretslopp om kometen, datainsamlingen var mer framgångsrik än vad de forskare och ingenjörer som designade instrumentet för ungefär 20 år sedan vågat förvänta sig. Verkligen, COSIMA har samlat in mer än 35, 000 partiklar som är upp till 1 millimeter i diameter. Vi hade förväntat oss många färre och oändligt mycket mindre dammkorn.

Analysen och den vetenskapliga tolkningen av de masspektrometriska mätningarna som gjordes på en bråkdel av de insamlade partiklarna (cirka 250) var lång och utmanande. Dammets ultraporositet, samlas nästan intakt efter att ha kastats ut från kometens yta, har få analoger i våra laboratorier och behärskar TOF-SIMS-tekniken, redan komplicerad i laboratoriet, hade visat sig vara nästan heroisk när den genomfördes på distans i rymden.

Från dessa mätningar, det var möjligt att härleda dammpartiklarnas huvudsakliga beståndsdelar (syre, kol, kisel, järn, magnesium, natrium, kväve, aluminium, kalcium…), samt viss information om den kemiska naturen hos vissa komponenter. Från dessa uppgifter, teamet visade att varje dammpartikel (storlek från ~0,05 till 1 mm i diameter) innehöll, i genomsnitt, ca 50 viktprocent av organiskt kolhaltigt material. Detta material var huvudsakligen makromolekylärt, vilket betyder att den var gjord av stora strukturer sammansatta på ett totalt oordnat och komplext sätt; den andra hälften av massan består huvudsakligen av icke-hydratiserade silikatmineraler.

Enligt måtten, denna dammsammansättning är oberoende av partikeluppsamlingsdatumet. Med andra ord, i genomsnitt, det finns ingen skillnad i sammansättning mellan det stoft som kastats ut av kometen tidigare, under eller efter dess perihelion, vilket är när, i augusti 2015, 67P närmade sig solen närmast och där aktiviteten var som mest intensiv. Sammansättningen av kometdamm är inte heller beroende av deras storlek eller morfologi - "fluffiga aggregat" eller mer "kompakta korn." De analyserade partiklarna är små fragment av kärnan, kommer från dess yta samt gropar som sjunker ner i kometens djup. Därför, den genomsnittliga sammansättningen som bestämts av COSIMA återspeglar troligen den totala flyktiga fria sammansättningen av 67P:s kärna. Det mesta av kometmaterialet bildas alltså av denna intima blandning av 50-50 viktprocent mineraler och fast kolhaltigt material.

Ett primitivt material

Dessa resultat, såväl som de som erhölls för 30 år sedan under förbiflygningen av kometen Halley av sonderna Giotto och Vega, bevisa att kometer är bland de mest kolrika solsystemobjekten. Experter misstänkte detta, men detta är äntligen ett direkt experimentellt bevis. Det höga värdet av överflödsförhållandet mellan kol och kisel uppmätt av COSIMA är mycket nära överflödsförhållandet för dessa grundämnen uppmätt i solens fotosfär. Dessutom, silikaterna i 67P-damm visar inga märkbara tecken på förändring av flytande vatten. Dessa två observationer är ett viktigt bevis på denna kometsubstans primitiva karaktär. Det betyder att detta material knappast har modifierats sedan kometens bildande, till skillnad från de flesta andra objekt i solsystemet. Att studera det tar oss tillbaka till början av solsystemet, för nästan 4,5 miljarder år sedan.

COSIMA-mätningarna, kombinerat med observationer av de andra Rosetta-instrumenten, indikerar att det mesta av kometens kolhaltiga material inte finns i isar och gaser, men i damm, i denna icke-flyktiga makromolekylära form. Detta resultat är i linje med laboratorieanalyser av andra utomjordiska material som har samlats in på jorden – meteoriter, mikrometeoriter och interplanetära dammpartiklar. Med dessa, dock, det ursprungliga föremålet från vilket dessa material härstammar är sällan känt. Och över allt, uppvärmning under atmosfärens inträde förändrar och modifierar, åtminstone delvis, deras kolhaltiga komponenter.

COSIMAs in situ-mätningar och dess insamling av damm vid låga hastigheter (några meter per sekund, takten för någon som joggar) har gjort det möjligt att helt bevara den kemiska informationen. Således, det är möjligt att säga idag att om kometer som 67P spelade en roll i uppkomsten av liv på jorden, speciellt genom att ta med kolrikt material, det skulle ha varit denna komplexa makromolekylära komponent som dominerade det som levererades.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.