Två kosmokemister vid Arizona State University har gjort de första mätningarna någonsin av vatten som finns i prover från ytan på en asteroid. Proverna kom från asteroiden Itokawa och samlades in av den japanska rymdsonden Hayabusa.

Teamets resultat tyder på att nedslag tidigt i jordens historia av liknande asteroider kunde ha levererat så mycket som hälften av vår planets havsvatten.

"Vi fann att proverna vi undersökte var berikade med vatten jämfört med genomsnittet för objekt i det inre solsystemet, " säger Ziliang Jin. En postdoktor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration, han är huvudförfattare på tidningen som publicerades 1 maj i Vetenskapens framsteg rapportera resultaten. Hans medförfattare är Maitrayee Bose, biträdande professor i skolan.

"Det var ett privilegium att den japanska rymdorganisationen JAXA var villig att dela fem partiklar från Itokawa med en amerikansk utredare, " säger Bose. "Det speglar också väl på vår skola."

Teamets idé att leta efter vatten i Itokawa-proverna kom som en överraskning för Hayabusa-projektet.

"Tills vi föreslog det, ingen tänkte leta efter vatten, " säger Bose. "Jag är glad att kunna rapportera att vår aning gav resultat."

I två av de fem partiklarna, teamet identifierade mineralet pyroxen. I terrestra prover, pyroxener har vatten i sin kristallstruktur. Bose och Jin misstänkte att Itokawa-partiklarna också kunde ha spår av vatten, men de ville veta exakt hur mycket. Itokawa har haft en grov historia med uppvärmning, flera effekter, stötar, och fragmentering. Dessa skulle höja temperaturen på mineralerna och driva bort vatten.

För att studera proverna, var och en ungefär hälften så tjock som ett människohår, laget använde ASU:s Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometer (NanoSIMS), som kan mäta så små mineralkorn med stor känslighet.

NanoSIMS-mätningarna visade att proverna var oväntat rika på vatten. De föreslår också att även nominellt torra asteroider som Itokawa faktiskt kan hysa mer vatten än forskarna har antagit.

Fragmenterad värld

Itokawa är en jordnötsformad asteroid omkring 1, 800 fot lång och 700 till 1, 000 fot bred. Den kretsar runt solen var 18:e månad på ett genomsnittligt avstånd på 1,3 gånger avståndet mellan jorden och solen. En del av Itokawas väg för den in i jordens omloppsbana och längst bort, den sveper ut lite bortom Mars.

Baserat på Itokawas spektrum i jordbaserade teleskop, planetforskare placerar den i S-klassen. Detta kopplar det till de steniga meteoriterna, som tros vara fragment från asteroider av S-typ som brutits av vid kollisioner.

"Asteroider av S-typ är ett av de vanligaste föremålen i asteroidbältet, " säger Bose. "De bildades ursprungligen på ett avstånd från solen på en tredjedel till tre gånger jordens avstånd." Hon tillägger att även om de är små, dessa asteroider har behållit allt vatten och andra flyktiga material de bildat med.

I struktur, Itokawa liknar ett par bråtehögar som är ihopkrolade. Den har två huvudlober, var och en översållad med stenblock men med olika totaldensiteter, medan mellan loberna är en smalare sektion.

Jin och Bose påpekar att dagens Itokawa är en rest av en föräldrakropp som är minst 12 miles bred som någon gång värmdes upp mellan 1, 000 och 1, 500 grader Fahrenheit. Föräldrakroppen drabbades av flera stora stötar från stötar, med en sista skakande händelse som bröt isär den. I efterdyningarna slogs två av fragmenten samman och bildade dagens Itokawa, som nådde sin nuvarande storlek och form för cirka 8 miljoner år sedan.

"Partiklarna vi analyserade kom från en del av Itokawa som kallas Muses Sea, " säger Bose. "Det är ett område på asteroiden som är slätt och dammtäckt."

Jin tillägger, "Även om proverna samlades på ytan, vi vet inte var dessa korn fanns i den ursprungliga moderkroppen. Men vår bästa gissning är att de begravdes mer än 100 meter djupt i den."

Han tillägger att trots det katastrofala upplösningen av föräldrakroppen, och provkornen som utsätts för strålning och stötar från mikrometeoriter på ytan, mineralerna visar fortfarande tecken på vatten som inte har gått förlorat till rymden.

Dessutom, säger Jin, "Mineralerna har isotopiska vätekompositioner som inte går att skilja från jorden."

Bose förklarar, "Detta betyder att asteroider av S-typ och moderkropparna till vanliga kondriter sannolikt är en kritisk källa till vatten och flera andra element för de jordiska planeterna."

Hon tillägger, "Och vi kan säga detta bara på grund av in-situ isotopmätningar på returnerade prover av asteroidregoliter - deras ytdamm och stenar.

"Det gör dessa asteroider till högprioriterade mål för utforskning."

Spana efter prover

Bose noterar att hon bygger en renlabbanläggning på ASU, som tillsammans med NanoSIMS (delvis finansierat av National Science Foundation) skulle vara den första sådana anläggningen vid ett offentligt universitet som kan analysera dammkorn från andra solsystemkroppar.

Ett annat japanskt uppdrag, Hayabusa 2, är för närvarande vid en asteroid vid namn Ryugu, där den kommer att samla in prover, föra dem tillbaka till jorden i december 2020. Chefen för ASU:s Center for Meteorite Studies, professor Meenakshi Wadhwa, är medlem i Initial Analysis Team for Chemistry för Hayabusa 2-uppdraget.

ASU är också ombord på NASA:s OSIRIS-REx prov-returuppdrag, som kretsar kring en jordnära asteroid vid namn Bennu. Bland andra instrument, rymdfarkosten bär OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer (OTES), designad av ASU Regents professor Philip Christensen och byggd på skolan. OSIRIS-REx är planerad att samla in prover från Bennu sommaren 2020 och föra dem tillbaka till jorden i september 2023.

För planetforskare och kosmokemister som ritar en bild av hur solsystemet bildades, asteroider är en stor resurs. Som överblivna byggstenar för planetsystemet, de varierar mycket sinsemellan samtidigt som de bevarar material från tidigt i solsystemets historia.

säger Bose, "Sample-retur-uppdrag är obligatoriska om vi verkligen vill göra en djupgående studie av planetariska objekt."

Och hon tillägger, "Hayabusa-uppdraget till Itokawa har utökat vår kunskap om det flyktiga innehållet i de kroppar som hjälpte till att bilda jorden. Det skulle inte vara förvånande om en liknande mekanism för vattenproduktion är vanlig för steniga exoplaneter runt andra stjärnor."