Представьте, что вы открываете капсулу времени в надежде узнать о древнем прошлом. Только вместо коробки или сундука это астероид, который мог бы дать представление о самом зарождении жизни на Земле. Именно с такой ситуацией столкнулись исследователи, использующие усовершенствованный источник света (ALS). Поскольку ALS является научным центром Министерства энергетики США, команда, работающая там, видит множество необычных предметов, от материалов для солнечных батарей до частиц, на которые влияют лесные пожары. Но даже для этой команды образец с астероида был необычным. К счастью, инновационные инструменты, доступные в ALS, позволили им поддержать ученых, изучающих историю этих камней, доставленных из космоса. Точно так же, как изучение горных пород на Земле может рассказать нам о ранней истории Земли, изучение примитивных небольших тел, таких как астероиды, метеориты и кометы, может рассказать нам об истории нашей Солнечной системы.
Хондриты - особенно полезный тип метеоритов. Они недифференцированы и химически примитивны. Содержащиеся в них породы восходят к пыли и мелким крупинкам в ранней Солнечной системе, которые собрались вместе, чтобы сформировать большое родительское тело. Определенный тип хондритов (называемых углеродистыми хондритами) содержит относительно большое количество химических веществ, которые легко испаряются, включая углерод и воду. Это строительные блоки жизни на Земле. Изучая эти сохранившиеся материалы, ученые могут ответить на один из фундаментальных вопросов человечества: "Откуда мы взялись?" Команда, использующая ALS, исследовала образец с поверхности астероида Рюгу, относящегося к углеродистому типу. Они ожидали, что этот астероид будет похож на углистые хондритовые метеориты. Рюгу находится относительно близко к Земле по сравнению с астероидами в главном поясе между Марсом и Юпитером.
Ученые предполагают, что Рюгу - это астероид, состоящий из груды обломков. Они полагают, что он образовался, когда объект столкнулся со своим родительским телом, а затем выброшенные породы вновь соединились в новый астероид. После этого процесса астероид переместился из главного пояса на околоземную орбиту. Космический аппарат Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) "Хаябуса-2" собрал образцы в двух местах на поверхности Рюгу в 2019 году и вернул их на Землю в 2020 году. В ходе кураторской работы в JAXA было обнаружено в общей сложности 5,4 грамма образцов. Агентство передало небольшую часть образцов группе первоначального анализа Hayabusa2, состоящей примерно из 400 ученых по всему миру. Хикару Ябута из Университета Хиросимы возглавлял одну из шести подгрупп группы первоначального анализа.
Ультратонкие фрагменты частиц астероида поступили в ALS Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. ALS позволяет ученым точно идентифицировать элементы и молекулы внутри материалов. Для получения необычайно ярких рентгеновских лучей используется ускоритель частиц. Подобно рентгеновским лучам в кабинете врача, они позволяют получить информацию о том, что находится внутри объекта. Но вместо того, чтобы просто высвечивать кости, эти рентгеновские лучи позволяют ученым исследовать химические и структурные свойства самого вещества. Сначала команда тщательно отсканировала образец длинными горизонтальными рядами — как текст в книге — с помощью рентгеновских лучей. Измерив, как меняются рентгеновские лучи в процессе сканирования, ученые смогли идентифицировать отдельные частицы органического материала в образце астероида. Эти зерна были крошечными — всего в 100 раз больше нити ДНК.
Как только ученые определили интересующие их частицы, они использовали рентгеновские лучи, чтобы определить тип химических связей в зернах органического углерода. В данном случае исследователи использовали этот метод для определения различных элементов и функциональных групп (определенного расположения атомов) в образце. На основе этого анализа ученые обнаружили четыре различных типа углеродных соединений, а также различные типы структур. После идентификации этих материалов ученые сравнили их с аналогичными метеоритами, историю которых они уже знали. Объединение всех этих данных позволило им обрисовать широкую историю астероида в период становления Солнечной системы, которая сформировалась около 4,6 миллиарда лет назад. Химический состав органического углерода в образцах показал, что органическое вещество Рюгу образовалось в результате изменения его предшественников в ходе химической реакции с жидкой водой на материнском теле астероида.
Изотопы углерода в образцах свидетельствовали о том, что органические предшественники были получены из чрезвычайно холодной космической среды (около -200°C). Эта команда была первой, кто доказал прямую связь между органическим веществом в углеродистом астероиде и аналогичным органическим веществом в примитивных углеродистых хондритах (метеоритах). Заметно отсутствовал один тип материала — графит. Графит - это знакомая форма углерода, используемая в карандашных грифелях. На астероидах графит или графитоподобный материал является признаком того, что углерод образовывался в результате радиогенного нагрева в родительских телах в течение нескольких миллионов лет. Его отсутствие говорит о том, что образец, собранный с астероида, никогда не подвергался воздействию тепла выше 390°F (200°C). Изучение материала с Рюгу было не первым и, вероятно, не последним случаем, когда ученые используют ALS для тщательного изучения горных пород из космоса. Исследователи использовали ALS для анализа частиц пыли с кометы 81P/Wild 2, собранных космическим аппаратом НАСА Stardust в 2006 году.
Они обнаружили, что пыль кометы содержала органические вещества. Это вещество состояло из химических соединений, содержащих азот и кислород, а также из органических веществ, подобных тем, которые наблюдались на астероиде Рюгу и других хондритных метеоритах. Эти исследования продемонстрировали инструменты и методы, которые оказались полезными для анализа образцов, подобных тем, которые были получены в ходе миссии НАСА OSIRIS-REx. Эта миссия собрала образцы с астероида Бенну. Осенью 2023 года они были доставлены на Землю. Недавно агентство опубликовало каталог образцов для изучения учеными. ALS и другие источники света позволяют нам провести параллели с древнейшей историей нашей Солнечной системы до сегодняшнего дня. Проливая свет на объекты, находящиеся в нашей современной солнечной системе, ученые Министерства энергетики США и другие пользователи могут однажды помочь нам лучше понять, как Земля стала пригодной для жизни.
