En forskargrupp från Kobe University har visat att värmen som genereras av inverkan av en liten astronomisk kropp kan möjliggöra vattenförändringar och organisk fast bildning att inträffa på ytan av en asteroid. De uppnådde detta genom att först utföra höghastighetskollisionsexperiment med ett asteroidliknande målmaterial och mäta värmefördelningen efter anslaget runt den resulterande kratern. Från dessa resultat, de upprättade sedan en tumregel för maximal temperatur och uppvärmningens varaktighet, och utvecklade en värmeledningsmodell utifrån detta.

Forskargruppen bestod av följande medlemmar från Kobe Universitys Graduate School of Science; Föreläsare YASUI Minami, TAZAWA Taku (en andra året masterstudent vid tidpunkten för forskning), HASHIMOTO Ryohei (då ett fjärde år på grundutbildningen vid naturvetenskapliga fakulteten) och professor ARAKAWA Masahiko, förutom JAXA Space Exploration Center's Associate Senior Researcher OGAWA Kazunori (som var en teknisk specialist vid Kobe University vid tidpunkten för studien).

Dessa resultat har utökat det rumsliga och tidsmässiga området över vilket de nödvändiga villkoren för vattenhaltig förändring och bildning av organisk fast substans kan inträffa. Detta förväntas avsevärt öka antalet potentiella astronomiska kroppar som kunde ha fört vatten och livets ursprung till jorden.

Dessa forskningsresultat publicerades i den brittiska vetenskapliga tidskriften Kommunikation Jord och miljö den 18 maj, 2021.

Huvudpunkter

• Forskarna använde poröst gips som en imiterad asteroid och satte in flera termoelement inuti den. De genomförde höghastighetspåverkansexperiment på detta mål vid kollisionshastigheter på 1 km/s och mer, och lyckades mäta förändringar i temperaturvaraktighet runt den resulterande kratern strax efter nedslaget.
• Detta avslöjade att, oavsett slaghastighet och projektilens storlek och densitet, den maximala temperaturen och dess varaktighet var beroende av dimensionslöst avstånd (avståndet från islagspunkten skalat med kraterradien).
• Med hjälp av ovanstående resultat, forskarna beräknade de tidsmässiga förändringarna i termisk värmefördelning efter kraterns bildning på asteroidens yta. Dessa beräkningar antydde att på avstånd inom 2 astronomiska enheter, vattenförändring kan inträffa om kratern har en radie på över 20 km, och organisk fast formation kan stödjas av kratrar på över 1 km.
• Dessa fynd kommer att göra det möjligt för ett ökat antal astronomiska kroppar att betraktas som kandidater för källan till det vatten och de organiska ämnen som är nödvändiga för livets början på jorden.

Forskningsbakgrund

Man tror att vattnet och de organiska ämnen som behövs för att liv ska börja på jorden var resultatet av en komet eller asteroid som påverkade planeten. Mineraler och organiska ämnen som har upplevt vattenförändringar har upptäckts i meteoriter (från vilka asteroider härstammar), bevis på att de en gång innehöll vatten. Dock, en värmekälla är nödvändig för de kemiska reaktioner som orsakar vattenförändringar och bildning av organiskt fast material inuti asteroider.

En tillräckligt stark värmekälla är den radioaktiva sönderfallsuppvärmningen av ²⁶ Al, en kortlivad radioaktiv nuklid som finns i bergarter. Dock, det sägs att den radioaktiva uppvärmningen som orsakade vattenförändring och fast bildning på asteroidens moderkroppar (*4) bara kunde ha inträffat i början av solsystemets historia på grund av den korta halveringstiden av ²⁶ Al (720, 000 år).

På senare år har Teorin om att stötvärmen som genereras när en liten astronomisk kropp träffar en asteroid också kan vara en livskraftig värmekälla har börjat få uppmärksamhet. Dock, det är inte känt hur mycket värme som genereras beroende på den astronomiska kroppens egenskaper (storlek, densitet, slaghastighet) och hur långt inom asteroiden denna genererade värme överförs. Ända tills nu, det har inte gjorts några studier som experimentellt har undersökt denna värmealstring och förökningsprocess för att avgöra om vattenförändring och bildning av organisk substans skulle vara möjlig.

Forskningsmetodik

Denna forskargrupp genomförde laboratorieexperiment för att undersöka sambandet mellan slagvärmen som genereras på en asteroid (till följd av en liten astronomisk kropps påverkan) och påverkans egenskaper. För målet, de använde gips (ett poröst mineral som består av kalciumsulfatdihydrat) för att imitera en asteroid. De accelererade projektiler vid målet vid höga anslagshastigheter på mellan 1 km/s till 5 km/s med hjälp av Kobe Universitys tvåstegs horisontella gaspistol (Figur 1). Flera termoelement sattes in i gipsmålet för att mäta temperaturförändringarna efter anslaget. I denna serie av experiment, forskarna ändrade storleken, densitet, projektilernas slaghastighet och termoelementens positioner för att undersöka skillnaderna i värmevaraktighet beroende på påverkans egenskaper (figur 2).

Från grafen för värmetid, forskargruppen undersökte den maximala temperaturen och dess varaktighet, och tittade på hur detta hängde ihop med slagegenskaperna (Figur 3). Genom att använda det dimensionslösa avståndet som erhålls genom att normalisera avståndet från islagspunkten (där projektilen träffade målet) med kraterradien, de har framgångsrikt fastställt hur maximal temperatur och dess varaktighet förändras av slagegenskaper och kom fram till en tumregel för detta. Därefter konstruerade en värmeledningsmodell med denna tumregel, gjorde det möjligt för dem att beräkna värmefördelningen runt kratern som bildades på asteroidytan (Figur 4). Forskargruppen kontrollerade de numeriska resultaten från värmeledningsmodellen mot data om erforderlig värme och varaktighet för vattenförändring och bildning av organiskt fast material som erhållits från tidigare analyser av meteoriter. Dessa resultat visade att vattenförändringar kan ske om en krater med en radie på över 20 km bildas inom 2au från solen. Dessutom, de uppskattade att även en liten krater med en radie på 100 m på en asteroid inom 4au kunde värmas upp till 100 grader Celsius, vilket innebär att det kan stödja organisk fast bildning. De flesta asteroider finns inom 4 au. Forskarna fann också att om en krater med en radie på över 1 km bildas inom 2au, kraterns omkrets kan värmas upp till 0 grader Celsius (temperaturen vid vilken is blir vatten), vilket gör det möjligt att bilda organiska fasta ämnen.

Ytterligare utvecklingar

Man tror att radioaktivt sönderfall uppvärmning av ²⁶ Al utlöser de kemiska reaktionerna för vattenförändring och bildning av organiskt fast material på asteroider. Dock, denna uppvärmning kan bara ske nära kärnan av jämförelsevis stora asteroider som är tiotals kilometer i diameter. Vidare, det sägs att detta bara kunde ha inträffat inom en miljon år efter solens bildning på grund av den korta halveringstiden för ²⁶ Al. Å andra sidan, kollisioner mellan asteroider förekommer fortfarande idag, och det är möjligt att sådana kollisioner värmer upp ytan på även små asteroider, förutsatt att påverkan inte förstör själva asteroiden. Med andra ord, dessa forskningsresultat visar att potentialen för asteroider att stödja vattenförändringar och bildning av organiskt fast material är tillfälligt och spatialt mycket större än man tidigare trott. Detta kommer att bidra till att ett ökat antal astrologiska kroppar betraktas som kandidater som förde med sig vattnet och de organiska ämnena för livets början på jorden.

Därefter hoppas forskargruppen kunna undersöka prover som returnerats från asteroidutforskningsuppdrag som inte bara utförs av Japan utan också av andra länder. Om vattenförändrade mineraler eller organiska ämnen skulle upptäckas i de insamlade proverna, detta kan ge bevis på effekterna av uppvärmning.