Den svåra men framgångsrika mätningen av flera isotoper av ädelgasen xenon på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko med hjälp av Bernerinstrumentet ROSINA på Rosetta-sonden visar att material anlände till jorden på grund av kometnedslag. Som bevisats av ytterligare Bern-mätningar av kiselisotoper, i början var vårt solsystem extremt heterogent. Den höga mängden så kallat "tungt" vatten visar också att kometis är äldre än vårt solsystem.

Xenon är en färglös, luktfri gas som utgör långt mindre än en miljondel av volymen av hela jordens atmosfär. Som en ädelgas, den reagerar sällan med andra grundämnen och har därför ett relativt stabilt atomärt tillstånd. Det är därför en relativt korrekt representation av de förhållanden som fanns under bildandet av vårt solsystem. Xenon kan också hjälpa till att svara på den urgamla frågan om kometer:kommer material på jorden från kometnedslag och i så fall, i vilken utsträckning?

En forskargrupp ledd av Kathrin Altwegg vid Center for Space and Habitability (CSH) vid universitetet i Bern kunde visa att xenonsammansättningen på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko är mycket lik den "inhemska xenon" som först angavs 40 för flera år sedan, som anlände till vår planet från bortom kort efter bildandet av vårt solsystem. Dessa mätningar, som nu kommer att publiceras i Vetenskap , visar att ungefär en femtedel av inhemskt xenon härstammar från kometer. Detta innebär att vi för första gången någonsin kan dra en kvantitativ koppling mellan kometer och jordens atmosfär.

Fantastiskt fingeravtryck

Xenon bildas i många olika stjärnprocesser, inklusive supernovaexplosioner. Vart och ett av dessa fenomen leder till en typisk fördelning av xenonisotoper, ett specifikt "fingeravtryck". På grund av dess många isotoper från olika stjärnprocesser, xenon ger en viktig indikation på inhemska material som utgör vårt solsystem. Xenonisotoper mättes i jordens och Mars atmosfärer, i meteoriter som kommer från asteroider, på Jupiter och i solvind – flödet av laddade partiklar från solen. Sammansättningen av xenon i jordens atmosfär har mer tunga än lätta isotoper, eftersom lätta isotoper kan fly jordens gravitationsfält ut i rymden. Genom att korrigera denna effekt, forskare på 1970-talet beräknade den ursprungliga sammansättningen av denna ädelgas, det så kallade inhemska xenonet som en gång dominerade jordens atmosfär. Detta inhemska xenon innehåller mycket färre tunga isotoper och sammansättningen av de lätta isotoperna är lika med den för xenon som kommer från asteroider och solen. Man trodde därför att inhemskt xenon i jordens tidiga atmosfär hade ett annat ursprung jämfört med de då observerade objekten i solsystemet. Detta bekräftas nu av ROSINA-mätningar på Rosetta-sonden vid kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, ett iskallt "fossil" från det tidiga solsystemet.

Svårt uppdrag

"Sökandet efter xenon på kometer var förmodligen en av de viktigaste och svåraste mätningarna av ROSINA", säger Kathrin Altwegg, ROSINA projektledare vid Center for Space and Habitability (CSH) vid University of Bern. "Det faktum att vi har löst en del av ett 40-årigt mysterium genom att göra det gör det desto mer givande". Xenon är extremt sällsynt i kometens redan tunna atmosfär. Rosetta-sonden fick alltså flyga riktigt nära kometen i veckor – 7 till 10 km från centrum – så att ROSINA kunde fånga upp tillräcklig signal för en tydlig mätning av de sju vanligaste isotoperna. Risken med detta var att det täta molnet av damm som omgav kometen kunde ha löst ut sondens navigationssystem. ROSINA lyckades identifiera sju xenonisotoper samt olika andra ädelgaser. Analys av uppgifterna visade att det kometära xenon som frystes under kometbildningen skiljer sig från den sammansättning som finns i solsystemet såväl som från den sammansättning som finns idag i jordens atmosfär. Sammansättningen av det kometära xenonet är med största sannolikhet lika med den hos det placerade inhemska xenonet i jordens tidiga atmosfär. Dock, det finns vissa skillnader mellan de båda sammansättningarna som får forskare att tro att det ursprungliga xenonet kommer dels från kometer och dels från asteroider:"För första gången kunde vi etablera en kvantitativ koppling mellan kometer och vår jords atmosfär – enligt vilken 22 procent av jordens original, atmosfäriskt xenon kommer från kometer, medan resten kommer från asteroider", sammanfattar Altwegg.

Ingen motsägelse till vatten

Dessa fynd motsäger inte ROSINAs isotopmätning i vattnet på kometen som skilde sig väsentligt från inhemskt vatten. Eftersom xenon bara finns i spår i atmosfären medan jorden innehåller stora mängder vatten i haven och atmosfären, kometer kunde definitivt ha bidragit till det xenon som finns på jorden utan att förändra det inhemska vattnet för mycket. "Xenonfynden stöder också tanken att organiskt material kom till jorden genom kometer – som fosfor och aminosyran glycin som båda hittades på kometen av ROSINA – vilket var potentiellt avgörande för utvecklingen av livet på jorden", säger Altwegg. I sista hand, skillnaden mellan det kometära xenonet och det xenon som finns i solsystemet indikerar att den så kallade protosolarnebulosan som leder till bildningen av solen, planeter och små kroppar, var en kemiskt ganska heterogen plats. "Detta stöder tidigare mätningar av ROSINA som den oväntade upptäckten av molekylärt syre (O2) eller molekylärt svavel (S2)", säger Altwegg.

Andra publikationen bekräftar fynd

I en annan publikation, en forskargrupp ledd av Martin Rubin (CSH) kunde visa att kisel på kometen inte visar det genomsnittliga isotopförhållandet i vårt solsystem. ROSINA-data visar alltså att material från det tidiga solsystemet härstammar från olika föregångare. Som med xenon, detta betyder att den kemiska sammansättningen av det tidiga solsystemet var heterogen, alltså inte "likformigt" blandat som tidigare trott. Den andra publikationen visas i Astronomi och astrofysik . ROSINA hade redan upptäckt kiselatomer i kometens gashölje tidigt under uppdraget. Dessa kiselatomer sprutades bort från kometens yta av den inverkande solvinden. En exakt analys av Martin Rubin från CSH har nu visat att kiselisotoper också uppvisar en anomali jämfört med solkisel. De tunga kiselisotoperna är mindre vanliga i jämförelse med den blandning som finns nära solen och meteoriter. Detta tyder på att kometer bildas i ett område av den protosolära nebulosan som visar en icke-solär kemisk sammansättning – och därmed potentiellt har tagit på sig material från en annan stjärna eller supernova i närheten.

Även kometvatten kommer utifrån

En tredje publikation som också publicerades nyligen bevisar definitivt med användningen av väteisotoper att kometvatten – så kallat "tungt" vatten (D2O) – bildades före bildandet av solsystemet och frystes som pre-solar is i kometer. Dessa fynd publicerades i en specialupplaga av "Philosophical Transaction of the Royal Society, London".

"Våra resultat i alla tre studierna har uppfyllt huvudsyftet med Rosetta-uppdraget, nämligen att hitta kvantitativ indikation på hur jorden och vårt solsystem har bildats för första gången", säger Altwegg.