Steenmonsters die van asteroïde Ryugu naar de aarde zijn teruggebracht, hebben hun elementaire samenstelling geanalyseerd met behulp van een kunstmatig gegenereerde muonstraal van de deeltjesversneller in J-PARC. Onderzoekers vonden een aantal belangrijke elementen die nodig zijn om het leven in stand te houden, waaronder koolstof, stikstof en zuurstof, maar ontdekten ook dat de hoeveelheid zuurstof ten opzichte van silicium in asteroïde Ryugu anders was dan alle meteorieten die op aarde zijn gevonden, meldt een nieuwe studie in Wetenschap .

In 2014 werd de onbemande asteroïde-ontdekkingsreiziger Hayabusa 2 de ruimte in gelanceerd door het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) met een missie om monsters terug te brengen van asteroïde Ryugu, een type C-asteroïde waarvan onderzoekers dachten dat deze rijk was aan koolstof. Na een succesvolle landing op Ryugu en het verzamelen van monsters, keerde Hayabusa 2 in december 2020 terug naar de aarde met intacte monsters.

Sinds 2021 voeren onderzoekers de eerste analyses van de monsters uit, onder leiding van professor Shogo Tachibana van de Universiteit van Tokyo. Opgesplitst in verschillende teams, hebben onderzoekers de monsters op verschillende manieren bestudeerd, waaronder steenvormen, elementaire verdeling en minerale samenstelling.

In deze studie, geleid door Tohoku University Professor Tomoki Nakamura, Professor Tadayuki Takahashi en afgestudeerde student Shunsaku Nagasawa van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), University of Tokyo, in samenwerking met de High Energy Accelerator Research Organization (KEK) Institute for Materials Structure Science, Osaka University, Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Kyoto University, International Christian University, Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) en Tohoku University, hebben elementaire analysemethoden toegepast met behulp van negatieve muonen, elementaire deeltjes geproduceerd door de versneller bij J-PAARC.

Ze pasten de elementaire analysemethode toe met behulp van negatieve muonen op stenen van de asteroïde Ryugu, en slaagden erin hun elementaire samenstellingen niet-destructief te bepalen.

Dit was belangrijk, want als asteroïden in het zonnestelsel werden gebouwd aan het begin van de vorming van het zonnestelsel zelf, dan zouden ze nog steeds informatie achterhouden over de gemiddelde elementaire samenstelling op dat moment, en dus van het hele zonnestelsel.

Analyse van meteorieten die op aarde zijn gevallen, is in het verleden uitgevoerd, maar het is mogelijk dat deze monsters zijn besmet door de atmosfeer van de aarde. Dus tot Hayabusa 2 wist niemand zeker wat de chemische samenstelling van een asteroïde was.

Maar de onderzoekers stonden voor een uitdaging. Vanwege het beperkte aantal monsters en het grote aantal andere onderzoekers dat ze wilde bestuderen, moesten ze een manier vinden om hun analyses uit te voeren zonder ze te beschadigen, zodat de monsters konden worden doorgegeven aan andere groepen.

Het team had een nieuwe methode ontwikkeld, waarbij een kwantumstraal, of specifiek een straal negatieve muonen, geproduceerd door een van 's werelds grootste hoogenergetische deeltjesversnellers J-PARC in de prefectuur Ibaraki, Japan, werd afgeschoten om de chemische elementen van gevoelige monsters zonder ze te breken.

Takahashi en Nagasawa pasten vervolgens statistische analysetechnieken toe in röntgenastronomie en deeltjesfysica-experimenten om muonkarakteristieke röntgenstraling te analyseren.

Muonen zijn een van de elementaire deeltjes in het heelal. Hun vermogen om dieper in materialen dan röntgenstralen door te dringen, maakt ze ideaal voor materiaalanalyse. Wanneer een negatief muon wordt opgevangen door het bestraalde monster, wordt een muonisch atoom gevormd. De muonische röntgenstralen die door de nieuwe muonische atomen worden uitgezonden, hebben een hoge energie en kunnen dus met een hoge gevoeligheid worden gedetecteerd. Deze methode werd gebruikt om de Ryugu-monsters te analyseren.

Maar er was nog een uitdaging. Om te voorkomen dat de monsters worden verontreinigd door de atmosfeer van de aarde, moesten de onderzoekers de monsters buiten contact houden met zuurstof en water in de lucht. Daarom moesten ze een experimentele opstelling ontwikkelen, waarbij ze het monster in een kamer van heliumgas omhulden. De binnenwanden van de kamer waren bekleed met puur koper om het achtergrondgeluid te minimaliseren bij het analyseren van de monsters.

In juni 2021 werd 0,1 gram Ryugu-asteroïde in J-PARC gebracht en de onderzoekers voerden hun muon-röntgenanalyse uit, die een energiespectrum produceerde. Daarin vonden ze de elementen die nodig zijn om leven te produceren, koolstof, stikstof en zuurstof, maar ze ontdekten ook dat het monster een samenstelling had die vergelijkbaar was met die van koolstofhoudende chondriet (CI-chondriet) asteroïden, die vaak worden aangeduid als de standaard voor vaste stoffen in het zonnestelsel. Dit toonde aan dat de Ryugu-stenen enkele van de vroegste stenen waren die in ons zonnestelsel zijn gevormd.

Hoewel qua samenstelling vergelijkbaar met CI-chondrieten, was de zuurstofabundantie van het Ryugu-monster ten opzichte van silicium ongeveer 25 procent minder dan die van de CI-chondriet. De onderzoekers zeggen dat dit erop zou kunnen wijzen dat de overtollige hoeveelheid zuurstof ten opzichte van silicium in CI-chondrieten afkomstig zou kunnen zijn van besmetting nadat ze de atmosfeer van de aarde waren binnengekomen. Ryugu-stenen kunnen een nieuwe standaard zetten voor materie in het zonnestelsel. + Verder verkennen

Stofkorrels van asteroïde Ryugu ouder dan ons zonnestelsel