We zijn niet gewend om stof als een waardevol materiaal te beschouwen - tenzij het uit de ruimte komt. En meer precies, van de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Een analyse van het stof heeft waardevolle informatie opgeleverd over dit hemellichaam, en, algemener, over de geschiedenis van het zonnestelsel.

Met behulp van het COSIMA-instrument aan boord van de Europese ruimtesonde Rosetta, een wetenschappelijk team onderzocht de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P) tot in detail van augustus 2014 tot september 2016. Ze waren geïnteresseerd in de stofdeeltjes die uit de kern van de komeet werden uitgestoten en door het ruimtevaartuig werden opgevangen, en COSIMA maakten het mogelijk om hun compositie te bestuderen. De resultaten van hun onderzoek zijn in december 2017 gepubliceerd door de Royal Astronomical Society.

De studie geeft aan dat, gemiddeld, de helft van de massa van elk stofdeeltje bestaat uit koolstofhoudend materiaal met een voornamelijk macromoleculaire organische structuur; de andere helft bestaat voornamelijk uit niet-gehydrateerde silicaatmineralen. Hoe is dit resultaat belangrijk of interessant? Wat houdt het in? Werd het verwacht door wetenschappers of is het een totale breuk met reeds bestaande theorieën?

Dankzij Rosetta en haar instrumenten, we hebben een beter idee kunnen krijgen van wat 67P is samengesteld. Dit geldt met name voor de gassen in de atmosfeer, dankzij het ROSINA-instrument. Tijdens de reis van de komeet om de zon, er komen continu gassen en stof vrij die een zwakke halo vormen. Dit fenomeen wordt verklaard door de sublimatie van ijs dat is ingebed in de kern van de komeet - ze veranderen direct van de vaste naar de gasvormige toestand. Terwijl het gas in de atmosfeer van de komeet ontsnapt, het brengt kleine stofdeeltjes met zich mee. ROSINA heeft de gassen gekarakteriseerd en gekwantificeerd:het is gemaakt van waterdamp, kooldioxide, koolmonoxide, moleculaire zuurstof en een groot aantal kleine organische moleculen, voornamelijk gemaakt van koolstof, waterstof, stikstof- en zuurstofatomen.

andere instrumenten, zoals ingebouwde camera's en de VIRTIS-beeldspectrometer, bestudeerde het oppervlak van 67P. De structuren zijn complex:kliffen, fouten, aardverschuivingen, kuilen en meer. Maar vooral, het komeetoppervlak is erg donker en bevat weinig ijs. Dat het zo donker is, komt mogelijk door een hoog gehalte aan organische koolstof. Aangezien het ijs en de gassen slechts een klein deel uitmaken van de totale materie van kometen, de onderzoekers vertrouwen op onder andere, de analyse van de stofkorrels die door de komeet vrijkomen om meer te weten te komen over de samenstelling van de kern van de komeet. Dit stof is representatief voor de niet-vluchtige samenstelling van de komeet, en de studie van de chemische eigenschappen van het stof zal die van de kern van de komeet weerspiegelen.

35, 000 deeltjes verzameld

Het COSIMA-instrument is een soort fysisch-chemisch minilaboratorium, wiens functie het was om stofdeeltjes op te vangen die vrijkwamen bij de komeet 67P, beeld ze af en meet vervolgens hun chemische eigenschappen met behulp van een oppervlakteanalysemethode genaamd "time-of-flight secundaire ionenmassaspectrometrie" (TOF-SIMS). Gedurende de twee jaar die we in een baan om de komeet hebben doorgebracht, het verzamelen van gegevens was succesvoller dan gehoopt door de onderzoekers en ingenieurs die het instrument ongeveer 20 jaar geleden ontwierpen. Inderdaad, COSIMA heeft meer dan 35 verzameld, 000 deeltjes met een diameter tot 1 millimeter. We hadden veel minder en oneindig kleinere stofkorrels verwacht.

De analyse en wetenschappelijke interpretatie van de massaspectrometrische metingen gedaan op een fractie van de verzamelde deeltjes (ongeveer 250) was lang en uitdagend. De ultraporositeit van het stof, bijna intact verzameld na uitstoot van het oppervlak van de komeet, heeft weinig analogen in onze laboratoria en de beheersing van de TOF-SIMS-techniek, al ingewikkeld in het laboratorium, was bijna heroïsch gebleken toen ze op afstand in de ruimte werden uitgevoerd.

Uit deze metingen was het mogelijk om de belangrijkste bestanddelen van de stofdeeltjes (zuurstof, koolstof, silicium, ijzer, magnesium, natrium, stikstof, aluminium, calcium…), evenals enige informatie over de chemische aard van sommige componenten. Uit deze gegevens, het team toonde aan dat elk stofdeeltje (grootte variërend van ~ 0,05 tot 1 mm in diameter) bevatte, gemiddeld, ongeveer 50 massa% organisch koolstofhoudend materiaal. Dit materiaal was voornamelijk macromoleculair, wat betekent dat het was gemaakt van grote structuren die op een totaal ongeordende en complexe manier waren samengesteld; de andere helft van de massa bestaat voornamelijk uit niet-gehydrateerde silicatenmineralen.

Volgens de metingen, deze stofsamenstelling is onafhankelijk van de deeltjesverzamelingsdatum. Met andere woorden, gemiddeld, er is geen verschil in samenstelling tussen het stof dat eerder door de komeet werd uitgestoten, tijdens of na het perihelium, dat is wanneer, in augustus 2015, 67P kwam het dichtst bij de zon en waar de activiteit het meest intens was. De samenstelling van kometenstof is ook niet afhankelijk van hun grootte of morfologie - "pluizige aggregaten" of meer "compacte korrels". De geanalyseerde deeltjes zijn kleine fragmenten van de kern, die van het oppervlak komen, evenals putten die in de diepten van de komeet zinken. Daarom, de gemiddelde samenstelling bepaald door COSIMA weerspiegelt hoogstwaarschijnlijk de totale vluchtige-vrije samenstelling van de kern van 67P. Het grootste deel van de komeetstof wordt dus gevormd door dit innige mengsel van 50-50 gew.% mineralen en vast koolstofhoudend materiaal.

Een primitief materiaal

deze resultaten, evenals die 30 jaar geleden verkregen tijdens de flyby van komeet Halley door de Giotto en Vega sondes, bewijzen dat kometen tot de meest koolstofrijke objecten in het zonnestelsel behoren. Deskundigen vermoedden dit, maar dit is eindelijk een direct experimenteel bewijs. De hoge waarde van de abundantieverhouding tussen koolstof en silicium gemeten door COSIMA ligt zeer dicht bij de abundantieverhouding van deze elementen gemeten in de fotosfeer van de zon. Bovendien, de silicaten in 67P-stof vertonen geen noemenswaardige tekenen van verandering door vloeibaar water. Deze twee waarnemingen zijn een belangrijk bewijs van het primitieve karakter van deze kometensubstantie. Het betekent dat dit materiaal nauwelijks is gewijzigd sinds de formatie van de komeet, in tegenstelling tot de meeste andere objecten in het zonnestelsel. Als we het bestuderen, gaan we terug naar het allereerste begin van het zonnestelsel, bijna 4,5 miljard jaar geleden.

De COSIMA-metingen, gecombineerd met de waarnemingen van de andere Rosetta-instrumenten, geven aan dat het grootste deel van het koolstofhoudende materiaal van kometen niet wordt gevonden in ijs en gassen, maar in stof, in deze niet-vluchtige macromoleculaire vorm. Dit resultaat komt overeen met laboratoriumanalyses van andere buitenaardse materialen die op aarde zijn verzameld - meteorieten, micrometeorieten en interplanetaire stofdeeltjes. Met deze, echter, het oorspronkelijke object waaruit deze materialen afkomstig zijn, is zelden bekend. En bovenal, verwarming tijdens de atmosferische invoer verandert en wijzigt, althans gedeeltelijk, hun koolstofhoudende componenten.

COSIMA's in situ metingen en het verzamelen van stof bij lage snelheden (enkele meters per seconde, het tempo van iemand die jogt) hebben het mogelijk gemaakt om de chemische informatie volledig te bewaren. Dus, het is mogelijk om vandaag te zeggen dat als kometen zoals 67P een rol speelden in het verschijnen van leven op aarde, vooral door koolstofrijk materiaal mee te nemen, het zou deze complexe macromoleculaire component zijn geweest die domineerde wat werd geleverd.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.