Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Hayabusa2-uppdrag returnerade oförorenade primitiva asteroidprover till jorden. En omfattande analys av 16 partiklar från asteroiden Ryugu avslöjade många insikter i de processer som fungerade före, under och efter bildandet av solsystemet, med några som fortfarande formar ytan på den nuvarande asteroiden.

Elementära och isotopiska data avslöjade att Ryugu innehåller det mest primitiva pre-solar nebulosan (en uråldrig skiva av gas och damm som omger vad som skulle bli solen) material som hittills identifierats och att vissa organiska material kan ha ärvts från innan solsystemet bildades. Bland de organiska materialen som identifierades fanns aminosyror, som är byggstenarna i de proteiner som finns i allt levande på jorden. Upptäckten av proteinbildande aminosyror i icke-kontaminerade asteroidprover indikerar att asteroider som Ryugu kan ha sådd jorden med de råvaror som krävs för livets ursprung.

Dessutom gav Ryugu-prover både fysiska och kemiska bevis för att Ryugu härstammade från en stor (åtminstone flera 10-tals km) isig kropp i det yttre solsystemet, som upplevde vattenförändringar (komplexa kemiska reaktioner som involverade flytande vatten). Den isiga kroppen bröts sedan upp för att ge ett kometliknande fragment (flera km stort). Fragmentet utvecklades genom sublimering av is för att ge den torra porösa asteroiden som observeras idag. Därefter förändrade rymdvittring, som involverade bombardemang av asteroiden av partiklar från solen och avlägsna stjärnor, ytmaterialen, såsom organiskt material, för att ge material med en distinkt albedo (reflekterande egenskaper), vilket definierar hur asteroiden för närvarande ser ut.

Asteroider och kometer representerar det material som blev över efter bildandet av planeterna som kretsar runt solen. Sådana kroppar skulle initialt ha bildats i en enorm skiva av gas och damm (protosolär nebulosa) runt vad som så småningom skulle bli solen (protosun) och därmed kan bevara ledtrådar om processerna som fungerade under denna period av solsystemet.

Den protosolära nebulosan skulle ha snurrat snabbast mot sitt centrum och detta skulle ha koncentrerat mycket av materialet inom denna region. En del av materialet började sedan falla ner på ytan av protosunen, vilket ökade dess temperatur. Protosolens högre temperatur skulle ha lett till en ökad uteffekt av strålning, vilket kunde ha orsakat fotoförångning (avdunstning på grund av energi från ljus) av materialet i det inre solsystemet.

Senare, när det inre solsystemet svalnade, kondenserades nytt material med distinkta sammansättningar till vad som hade funnits tidigare. Så småningom skulle sådana material hålla ihop för att producera stora kroppar (planetesimaler) som sedan skulle bryta upp från kollisioner, med några bildande asteroider av S-typ. En asteroid av S-typ (Itokawa) var målet för Hayabusa-uppdraget, föregångaren till Hayabusa2. Proverna som returnerades till jorden avslöjade mycket om sådana asteroider, inklusive hur deras ytor påverkas av kontinuerliga små nedslag och bekräftande identifieringar gjorda genom teleskop på jorden.

Haybusa2 riktade sig mot en helt annan typ av asteroid, C-typ, som till skillnad från S-typer bevarar mycket mer av det primitiva yttre solsystemets material, som påverkades mycket mindre av uppvärmning från protosolen. Initial jordbaserad teleskop och fjärranalysinformation från rymdfarkosten Hayabusa2 antydde att Ryugu kan innehålla organiskt material och små mängder vatten (fast på ytan av mineraler eller innesluten i deras struktur).

Asteroider av C-typ är dock otroligt svåra att studera med hjälp av sådana metoder, eftersom de är väldigt mörka och de resulterande data har väldigt lite information som kan användas för att identifiera specifika material. Som sådan representerade provåtergången ett mycket viktigt steg för att förbättra vår förståelse av asteroider av C-typ. Cirka 5,4 g prov återfördes till jorden i december 2020 och proverna studerades initialt vid Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) fas-1-kurationsanläggning i Sagamihara, Japan. Omfattande geokemisk analys påbörjades i juni 2021 när proverna hade anlänt till fas-2-kurationsanläggningen vid Pheasant Memorial Laboratory (PML), Institute for Planetary Materials, Okayama University, Japan.

Inledningsvis erhölls den yttre och fysiska informationen för proverna, men kort efter skars partiklarna upp med hjälp av en mikrotom utrustad med en diamantkniv. Inuti avslöjade partiklarna texturer som tyder på frysning-tining och en finkornig massa av olika mineraler, med några grövre korniga komponenter som sprids överallt. Majoriteten av mineralerna var vattenhaltiga silikater som kallas fyllosilikater (lera), som bildades genom kemiska reaktioner som involverade icke-fria silikatmineraler och flytande vatten (vattenhaltig förändring). Tillsammans med frys-upptining-texturerna indikerade bevisen att proverna hade upplevt både flytande och fruset vatten tidigare.

Den vattenhaltiga förändringen visade sig ha nått en topp före ~2,6 Myr efter bildandet av solsystemet, genom analys av mangan och krom i magnetit (järnoxid) och dolomit (kalcium-magnesiumkarbonat) mineraler. Detta innebär att materialen från Ryugu upplevde flytande vatten mycket tidigt i solsystemets historia och värmen som smälte isen skulle ha tillförts från radioaktiva grundämnen som bara överlever under en relativt kort tid (nästan allt skulle vara borta efter 5 Myr ).

Efter att mycket av de radioaktiva elementen hade sönderfallit skulle kroppen svalna och frysa igen. Ryugu innehåller också isotoper av krom, kalcium och syre som indikerar att den bevarade den mest primitiva källan till material från protosolnebulosan. Dessutom registrerar organiskt material från Ryugu primitiva isotopiska signaturer som tyder på deras bildning inom det interstellära mediet (området i rymden mellan solsystem) eller yttre protosolnebulosa. Tillsammans med det rikliga vattnet och avsaknaden av material eller signaturer i det inre solsystemet, tyder ovanstående fynd på att materialet i Ryugu hölls ihop (ackreterades) och vattenförändrades mycket tidigt i det yttre solsystemet.

Men för att bilda flytande vatten, från uppvärmningen av en stenig isig kropp genom radioaktivt sönderfall, krävs att kroppen är minst flera 10 km lång. Följaktligen måste Ryugu ursprungligen ha varit en del av en mycket större kropp, kallad en planetesimal. Icy planetesimals tros vara källan till kometer, som kan bildas av deras kollisionsbrott. Om den planetesimala prekursorn till Ryugu drabbades efter att den hade frusit igen, skulle en komet som bevarar många av planetesimalens ursprungliga texturer och fysiska och kemiska egenskaper kunna produceras.

Som en komet skulle fragmentet ha behövt förflytta sig från det yttre till det inre solsystemet via någon dynamisk väg, som involverade planeternas interaktioner. Väl i det inre solsystemet skulle Ryugu då ha genomgått betydande sublimering (övergång av fast is till gas). Modellering i en tidigare studie indikerade att sublimeringen kan öka hastigheten med vilken Ryugu snurrar och leda till dess distinkta spinning top-form. Sublimeringen kunde också ha lett till bildandet av vattenångstrålar (som ses på kometen 67P) som skulle ha återavsatt material under ytan på ytan och fryst det på plats.

Dessutom kan strålarna kanske förklara några intressanta skillnader mellan provtagningsplatserna där Ryugu-proverna togs. Hayabusa2-uppdraget tog prov på material från själva ytan vid landningsplats 1 (TD1) och troligen material under ytan från en konstgjord nedslagskrater vid landningsplats 2 (TD2). Några av TD1-proverna visar elementär fraktionering bortom mm-skalan och spridda B- och Be-överflöd. Men alla TD2-prover registrerar elementära överflöd som liknar CI-kondriter (en typ av meteorit med elementära överflöd som liknar solen) och visar inga tecken på elementär fraktionering över mm-skalan. En förklaring är att TD1-platsen registrerar materialet som är inneslutet i en stråle, som förs till ytan av det kometliknande fragmentet från många distinkta regioner i underytan och representerar således en mängd olika sammansättningar. Under tiden kan TD2-proverna representera material som kommer från en del av Ryugu och som sådant har en mer enhetlig sammansättning.

Efter fullständig sublimering av isen vid Ryugus yta bildades en låg densitet och mycket porös stenig asteroid. Medan vattenrelaterade processer upphörde började rymdvittring. Ryugus yta bombarderades med tiden av stora mängder energirika partiklar från solvinden och kosmiska strålar från solen och avlägsna stjärnor. Partiklarna modifierade materialen på Ryugus yta, vilket fick det organiska materialet att förändras vad gäller dess struktur. Effekterna av en sådan process var mer uppenbara i TD1-partiklar från Ryugus yta jämfört med de från TD2, som troligen hade förts upp till ytan under skapandet av en konstgjord nedslagskrater. Som sådan är rymdvittring en process som fortfarande formar asteroidernas ytor idag och kommer att fortsätta att göra det i framtiden.

Trots effekterna av rymdvittring, som verkar för att förändra och förstöra informationen i organiskt material, upptäcktes också primitiva organiska material genom den omfattande geokemiska analysen av Ryugu-proverna. Aminosyror, som de som finns i proteinerna i varje levande organism på jorden, upptäcktes i en Ryugu-partikel. Upptäckten av proteinbildande aminosyror är viktig, eftersom Ryugu inte har exponerats för jordens biosfär, som meteoriter, och som sådan bevisar deras upptäckt att åtminstone några av byggstenarna i livet på jorden kunde ha bildats i rymdmiljöer.

Hypoteser om livets ursprung, såsom de som involverar hydrotermisk aktivitet, kräver källor till aminosyror, där meteoriter och asteroider som Ryugu representerar starka kandidater på grund av deras inventering av aminosyror och eftersom sådant material lätt skulle ha levererats till ytan av tidiga jorden. Dessutom tyder de isotopiska egenskaperna hos Ryugu-proverna på att Ryugu-liknande material kunde ha försett jorden med dess vatten, en annan resurs som är nödvändig för uppkomsten och upprätthållandet av liv på jorden.

Tillsammans ger resultaten som rapporterats av studien ovärderliga insikter i de processer som har påverkat den mest primitiva asteroiden som tagits av människan. Sådana insikter har redan börjat förändra vår förståelse av händelserna som inträffade från före solsystemet och fram till den nuvarande dagen. Framtida arbete med Ryugu-proverna kommer utan tvekan att fortsätta att förbättra vår kunskap om solsystemet och bortom det.

Forskningen publicerades i Proceedings of the Japan Academy . + Utforska vidare

Två team rapporterar om studier av Hayabusa2 asteroidprover