Próbki Ryugu podważają wcześniejsze poglądy na temat powstawania asteroid bogatych w węgiel

Asteroida Ryugu prawdopodobnie nie przeleciała tak daleko od miejsca swojego pochodzenia na swoją obecną orbitę bliską Ziemi, jak wcześniej zakładano. Nowe badania opublikowany w dzienniku Postęp nauki sugeruje, że Ryugu powstał w pobliżu Jowisza.

Wcześniejsze badania wskazywały na pochodzenie poza orbitą Saturna. Cztery lata temu japońska sonda kosmiczna Hayabusa 2 przywiozła na Ziemię próbki Ryugu. Naukowcy pod kierownictwem Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka (MPS) w Niemczech porównali teraz rodzaje niklu występujące w tych próbkach oraz w typowych meteorytach bogatych w węgiel.

Wyniki pokazują alternatywę dla wcześniejszych pomysłów na temat miejsc narodzin tych ciał: różne asteroidy bogate w węgiel mogły powstać w tym samym regionie w pobliżu Jowisza – aczkolwiek częściowo w wyniku różnych procesów i w odstępie około dwóch milionów lat.

Od grudnia 2020 r., kiedy próbki asteroidy Ryugu sprowadzono z powrotem na Ziemię, kilka gramów materiału przeszło sporo. Po wstępnych badaniach w Japonii część maleńkich, kruczoczarnych ziaren trafiła do ośrodków badawczych na całym świecie.

Tam je zmierzono, zważono, poddano analizie chemicznej i poddano między innymi działaniu promieniowania podczerwonego, rentgenowskiego i synchrotonowego. W MPS badacze badają proporcje niektórych izotopów metali w próbkach, podobnie jak w bieżącym badaniu. Naukowcy nazywają izotopy odmianami tego samego pierwiastka, różniącymi się jedynie liczbą neutronów w jądrze. Badania tego rodzaju mogą pomóc zrozumieć, gdzie w Układzie Słonecznym powstał Ryugu.

Podróż Ryugu przez Układ Słoneczny

Ryugu to planetoida lecąca blisko Ziemi. Jego orbita wokół Słońca przecina orbitę Ziemi (bez ryzyka kolizji). Naukowcy zakładają jednak, że podobnie jak inne planetoidy bliskie Ziemi, Ryugu nie pochodzi z wewnętrznego Układu Słonecznego, ale przybył tam z pasa asteroid znajdującego się pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Rzeczywiste miejsca narodzin populacji pasa asteroid znajdują się prawdopodobnie jeszcze dalej od Słońca, poza orbitą Jowisza.

„Relacje rodzinne” Ryugu mogą pomóc rzucić światło na jego pochodzenie i dalszą ewolucję. W jakim stopniu Ryugu przypomina przedstawicieli znanych klas meteorytów? Są to fragmenty asteroid, które przedostały się z kosmosu na Ziemię.

Badania przeprowadzone w ostatnich latach przyniosły niespodziankę: Ryugu zgodnie z oczekiwaniami pasuje do dużego tłumu meteorytów bogatych w węgiel, chondrytów węglowych. Jednak szczegółowe badania jego składu przypisują go do rzadkiej grupy: tzw. chondrytów CI. Są one również znane jako chondryty typu Ivuna, nazwane na cześć miejsca w Tanzanii, gdzie znaleziono ich najbardziej znanego przedstawiciela.

Oprócz samego chondrytu Ivuna odkryto do tej pory tylko osiem innych tych egzotycznych okazów. Ponieważ ich skład chemiczny jest podobny do składu Słońca, uważa się je za szczególnie dziewiczy materiał, który powstał na najbardziej zewnętrznej krawędzi Układu Słonecznego.

„Do tej pory zakładaliśmy, że miejsce pochodzenia Ryugu również znajduje się poza orbitą Saturna” – wyjaśnia naukowiec z MPS, dr Timo Hopp, współautor obecnego badania, który kierował już wcześniejszymi badaniami składu izotopowego Ryugu.

Najnowsze analizy naukowców z Getyngi rysują teraz inny obraz. Po raz pierwszy zespół zbadał proporcje izotopów niklu w czterech próbkach asteroidy Ryugu i sześciu próbkach chondrytów węglowych. Wyniki potwierdzają ścisły związek pomiędzy Ryugu i chondrytami CI. Jednak idea wspólnego miejsca narodzin na krańcach Układu Słonecznego nie jest już przekonująca.

Brakujący składnik

Co się stało? Do tej pory badacze rozumieli chondryty węglowe jako mieszaniny trzech „składników”, które można było dostrzec nawet gołym okiem w przekrojach. Osadzone w drobnoziarnistej skale, gęsto upakowane są okrągłe, milimetrowe wtrącenia, a także mniejsze, o nieregularnym kształcie. Nieregularne wtrącenia są pierwszą materią, która skondensowała się w stałe grudki w dysku gorącego gazu, który kiedyś krążył wokół Słońca. Okrągłe, bogate w krzemiany chondry powstały później.

Do tej pory badacze przypisywali różnice w składzie izotopowym chondrytów CI i innych grup chondrytów węglowych różnym stosunkom zmieszania tych trzech składników. Na przykład chondryty CI składają się głównie ze skał drobnoziarnistych, podczas gdy ich rodzeństwo jest znacznie bogatsze w inkluzje. Jednak, jak zespół opisuje w aktualnej publikacji, wyniki pomiarów niklu nie mieszczą się w tym schemacie.

Obliczenia badaczy pokazują obecnie, że ich pomiary można wytłumaczyć jedynie czwartym składnikiem: maleńkimi ziarnami żelaza i niklu, które również musiały nagromadzić się podczas formowania się asteroid. W przypadku Ryugu i chondrytów CI proces ten musiał być szczególnie wydajny.

„Przy tworzeniu się chondrytów Ryugu i CI z jednej strony oraz innych grup chondrytów węglowych z drugiej strony musiały zachodzić zupełnie inne procesy” – mówi Fridolin Spitzer z MPS, pierwszy autor nowego badania, podsumowując podstawowa idea.

Według naukowców pierwsze chondryty węglowe zaczęły powstawać około dwóch milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego. Przyciągane przez siłę grawitacji wciąż młodego słońca, pył i pierwsze stałe bryły przedostały się z zewnętrznej krawędzi dysku gazowo-pyłowego do wewnętrznego Układu Słonecznego, ale napotkały po drodze przeszkodę: nowo powstający Jowisz.

Poza jej orbitą gromadziły się w szczególności cięższe i większe bryły, które w ten sposób przekształciły się w chondryty węglowe z licznymi inkluzjami. Pod koniec tego rozwoju, po około dwóch milionach lat, zwyciężył inny proces: pod wpływem słońca pierwotny gaz stopniowo wyparowywał poza orbitą Jowisza, co doprowadziło do nagromadzenia się głównie pyłu i ziaren żelaza i niklu. Doprowadziło to do narodzin chondrytów CI.

„Wyniki bardzo nas zaskoczyły. Musieliśmy całkowicie przemyśleć – nie tylko w odniesieniu do Ryugu, ale także w odniesieniu do całej grupy chondrytów CI” – mówi dr Christoph Burkhard z MPS.

Chondryty CI nie wydają się już odległymi, nieco egzotycznymi krewnymi innych chondrytów węglowych z najbardziej zewnętrznej krawędzi Układu Słonecznego, ale raczej młodszym rodzeństwem, które mogło powstać w tym samym regionie, ale w innym procesie i później.

„Bieżące badanie pokazuje, jak istotne mogą być badania laboratoryjne w rozszyfrowaniu historii powstawania naszego Układu Słonecznego” – mówi prof. dr Thorsten Kleine, dyrektor Wydziału Nauk Planetarnych w MPS i współautor badania.