Med hjälp av den infraröda satelliten AKARI, ett japanskt forskarlag har upptäckt förekomsten av vatten i form av hydratiserade mineraler i ett antal asteroider för första gången. Denna upptäckt kommer att bidra till förståelsen av fördelningen av vatten i solsystemet, utvecklingen av asteroider, och vattnets ursprung på jorden.

Resultaten gjordes av teamet ledd av projektassistenten Fumihiko Usui (Graduate School of Science, Kobe University), Biträdande seniorforskare Sunao Hasegawa, Aerospace Project Research Associate Takafumi Ootsubo (Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency), och professor emeritus Takashi Onaka (Graduate School of Science, Tokyos universitet). Resultaten publicerades den 17 december i onlineutgåvan Advanced Access av Publikationer från Astronomical Society of Japan .

Jorden är en vattenplanet, och är den enda planeten i solsystemet där närvaron av vatten på planetens yta har bekräftats. Vi är, dock, ännu inte säker på hur jorden fick vatten. Nyligen genomförda studier har visat att andra himlakroppar i solsystemet har, eller brukade ha, vatten i någon form. Asteroids område bland kandidaterna som förde vatten till jorden. Observera att flytande vatten inte rinner på ytan av asteroider, men vatten hålls kvar i asteroider som hydratiserade mineraler som produceras av kemiska reaktioner av vatten och vattenfria stenar. Dessa reaktioner inträffade inuti asteroiderna i en process av vattenhaltig förändring. Hydraterade mineraler är stabila även över sublimeringstemperaturen för vattenis. Således, genom att leta efter hydrerade mineraler, vi kan undersöka om asteroider har vatten.

Infraröda våglängder innehåller karakteristiska spektrala egenskaper hos olika ämnen, inklusive molekyler, is och mineraler, som inte kan observeras vid synliga våglängder. Därför, det är nödvändigt att observera vid infraröda våglängder för att studera solsystemobjekt. Hydraterade mineraler uppvisar diagnostiska absorptionsegenskaper vid cirka 2,7 mikrometer. Absorptionen av vattenånga och koldioxid i den terrestra atmosfären hindrar oss från att observera denna våglängd med markbaserade teleskop. Det är därför nödvändigt att göra observationer från utsidan av atmosfären, i rymden. Dock, det har gjorts få observationer med rymdburna teleskop; det infraröda rymdobservatoriet (ISO), lanserades 1995, inte hade tillräcklig känslighet för att göra spektroskopi av svaga asteroider och Spitzer Space Telescope, lanserades 2003, hade inte en täckning av detta våglängdsområde. Av denna anledning, det har inte helt förstått hur mycket vatten som finns i asteroider.

Den japanska infraröda satelliten AKARI, lanserades i februari 2006, var utrustad med den infraröda kameran (IRC) som gjorde det möjligt för forskare att få spektra vid nära-infraröda våglängder från två till fem mikrometer. Genom att använda denna unika funktion, de spektroskopiska observationerna av 66 asteroider (figur 1) utfördes och deras nära-infraröda spektra erhölls. Detta ger det första tillfället att studera egenskaperna hos hydratiserade mineraler i asteroider runt våglängden 2,7 mikrometer.

Observationerna upptäckte absorption, som tillskrevs hydratiserade mineraler för 17 asteroider av C-typ (figur 2). Asteroider av C-typ, som ser mörka ut vid synliga våglängder, ansågs vara rika på vatten och organiskt material, men de nuvarande observationerna med AKARI är de första som bekräftar närvaron av hydratiserade mineraler i dessa asteroider. Absorptionsstyrkan som detekteras vid cirka 2,7 mikrometer varierar för varje asteroid, och vissa visar absorptionsegenskaper hos andra ämnen, som vattenis och ammoniakrikt material på cirka 3,1 mikrometer.

När man undersöker asteroiderna av C-typ mer i detalj, forskargruppen upptäckte ett tydligt samband mellan våglängden för den djupaste absorptionen och djupet för absorptionen för 2,7 mikrometersfunktionen (figur 3). Detta visar en trend som ses i processen där hydratiserade mineraler värms upp och gradvis förlorar vatten. Värmeenergin kan tillföras av solvindsplasman, mikrometeoritnedslag, eller sönderfallsvärmen från radioaktiva isotoper i bergarterna. Denna trend hade förutspåtts av meteoritmätningar, men detta är första gången som det har bekräftats i asteroider. Många asteroider av C-typ visar denna trend, antyder att asteroider av C-typ bildades genom agglomeration av stenar och vattenis, sedan inträffade vattenförändringar i asteroidernas inre för att bilda hydratiserade mineraler, och slutligen värmdes och uttorkades asteroider av C-typ.

Å andra sidan, steniga asteroider av S-typ ansågs inte innehålla vatten, till skillnad från asteroider av C-typ. I föreliggande studie, hydratiserade mineraler upptäcktes inte i de flesta S-typer, men det upptäcktes nyligen att det finns exceptionella fall av ett fåtal asteroider som visar små tecken på hydratiserade mineraler. Tecken på vatten som finns i sådana asteroider av S-typ genererades förmodligen inte av vattenförändringar som i C-typer, men producerades av kollisioner av andra hydratiserade asteroider, det är, det är det exogena ursprunget som orsakade de hydrerade mineralerna. Asteroidkollisioner förekommer ibland. I det tidiga skedet av solsystemets bildande, ett antal små kroppar inklusive asteroider var större än för närvarande, och kollisionshändelser måste ha varit vanligare. Från det faktum att jorden skulle ha upplevt kollisioner med många asteroider, man föreställer sig att åtminstone en viss mängd vatten på jorden kom från asteroider av sådana kollisioner.

Denna studie har bekräftat förekomsten av vatten i asteroider. Spektra för de observerade asteroiderna visar vanliga mönster. Storleken och avståndet från solen kan betraktas som viktiga faktorer i skillnaderna mellan spektra. För att till fullo förstå de observerade mönstren, det är nödvändigt att samla observationer av fler asteroider, samt att jämföra fynd med mätningen av meteoriter som samlats på jorden. Dr Usui säger, "Genom att lösa detta pussel, vi kan ta ett betydande steg mot att identifiera källan till jordens vatten och avslöja hemligheten bakom hur livet började på jorden."

AKARI avslutade sin verksamhet i november 2011. För nästa möjlighet att utföra spektroskopi i 2,7 mikrometer våglängd med ett rymdburet teleskop, forskare kommer att behöva vänta tills uppskjutningen av rymdteleskopet James Webb av NASA, planerad till 2021.

För närvarande, den japanska asteroidutforskaren Hayabusa2 och amerikanska OSIRIS-REx undersöker asteroiderna Ryugu och Bennu, respektive. Varje utforskare har en förmåga att göra mätningar inom 2,7 mikrometersområdet för att leta efter vattnets signatur. Observationer på plats av asteroider med rymdfarkoster kan ge detaljerad information om kratrar och topografi, aspekter som markbaserade och jordkretsande teleskop inte kan avslöja. De nuvarande resultaten ökar avsevärt de vetenskapliga värdena för data som upptäcktsresande erhållit och förstår egenskaperna hos asteroiderna Ryugu och Bennu i detaljer.