De moeilijke maar succesvolle meting van verschillende isotopen van het edelgas xenon op komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko met behulp van het Berner instrument ROSINA op de Rosetta-sonde laat zien dat materialen op aarde zijn aangekomen als gevolg van komeetinslagen. Zoals bewezen door verdere Bern-metingen van siliciumisotopen, in het begin was ons zonnestelsel extreem heterogeen. De grote hoeveelheid zogenaamd "zwaar" water laat ook zien dat kometenijs ouder is dan ons zonnestelsel.

Xenon is een kleurloze, reukloos gas dat veel minder dan een miljoenste van het volume van de hele atmosfeer van de aarde uitmaakt. Als een edelgas, het reageert zelden met andere elementen en heeft dus een relatief stabiele atomaire toestand. Het is daarom een ​​relatief nauwkeurige weergave van de omstandigheden die bestonden tijdens de vorming van ons zonnestelsel. Xenon kan ook helpen om de eeuwenoude vraag over kometen te beantwoorden:komt materiaal op aarde van komeetinslagen en zo ja, in welke mate?

Een onderzoeksteam onder leiding van Kathrin Altwegg van het Center for Space and Habitability (CSH) van de Universiteit van Bern kon aantonen dat de xenonsamenstelling op de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko erg lijkt op het "inheemse xenon" dat als eerste werd geponeerd. jaren geleden, die kort na de vorming van ons zonnestelsel van buitenaf op onze planeet arriveerde. Deze metingen, die nu wordt gepubliceerd in Wetenschap , laten zien dat ongeveer een vijfde van het inheemse xenon afkomstig is van kometen. Dit betekent dat we voor het eerst een kwantitatief verband kunnen leggen tussen kometen en de atmosfeer van de aarde.

Stellaire vingerafdruk

Xenon wordt gevormd in veel verschillende stellaire processen, inclusief supernova-explosies. Elk van deze verschijnselen leidt tot een typische verdeling van xenon-isotopen, een specifieke "vingerafdruk". Vanwege de vele isotopen van verschillende stellaire processen, xenon geeft een belangrijke indicatie van inheemse materialen waaruit ons zonnestelsel bestaat. Xenon-isotopen werden gemeten in de atmosfeer van de aarde en Mars, in meteorieten afkomstig van asteroïden, op Jupiter en in zonnewind - de stroom geladen deeltjes van de zon. De samenstelling van xenon in de atmosfeer van de aarde heeft meer zware dan lichte isotopen, aangezien lichte isotopen aan het zwaartekrachtsveld van de aarde kunnen ontsnappen de ruimte in. Door dit effect te corrigeren, onderzoekers in de jaren 70 berekenden de oorspronkelijke samenstelling van dit edelgas, het zogenaamde inheemse xenon dat ooit de atmosfeer van de aarde domineerde. Dit inheemse xenon bevat veel minder zware isotopen en de samenstelling van de lichte isotopen is gelijk aan die van xenon afkomstig van asteroïden en de zon. Men geloofde daarom dat inheems xenon in de vroege atmosfeer van de aarde een andere oorsprong had dan de destijds waargenomen objecten in het zonnestelsel. Dit wordt nu bevestigd door ROSINA-metingen aan de Rosetta-sonde bij komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko, een ijzig "fossiel" uit het vroege zonnestelsel.

Moeilijke missie

"De zoektocht naar xenon op kometen was waarschijnlijk een van de belangrijkste en moeilijkste metingen door ROSINA", zegt Kathrin Altwegg, ROSINA projectleider bij het Center for Space and Habitability (CSH) van de Universiteit van Bern. "Het feit dat we daarmee een deel van een 40 jaar oud mysterie hebben opgelost, maakt het des te meer de moeite waard". Xenon is uiterst zeldzaam in de toch al dunne atmosfeer van de komeet. De Rosetta-sonde moest dus wekenlang heel dicht bij de komeet vliegen - 7 tot 10 km van het centrum - zodat ROSINA voldoende signaal kon opvangen voor een duidelijke meting van de zeven meest voorkomende isotopen. Het risico hierbij was dat de dichte stofwolk rond de komeet het navigatiesysteem van de sonde had kunnen doen struikelen. ROSINA slaagde erin zeven xenon-isotopen te identificeren, evenals verschillende andere edelgassen. Analyse van de gegevens toonde aan dat het komeet-xenon dat tijdens de vorming van de komeet werd bevroren, verschilt van de samenstelling die in het zonnestelsel wordt gevonden, evenals van de samenstelling die tegenwoordig in de atmosfeer van de aarde wordt aangetroffen. De samenstelling van het komeet xenon is hoogstwaarschijnlijk gelijk aan die van het geponeerde inheemse xenon in de vroege atmosfeer van de aarde. Echter, er zijn bepaalde verschillen tussen beide samenstellingen, wat onderzoekers ertoe brengt te geloven dat het originele xenon deels afkomstig is van kometen en deels van asteroïden:"Voor het eerst konden we een kwantitatief verband leggen tussen kometen en de atmosfeer van onze aarde - volgens welke 22 procent van het origineel van de aarde, atmosferisch xenon is afkomstig van kometen, terwijl de rest van asteroïden komt", vat Altwegg samen.

Geen tegenstelling tot water

Deze bevindingen zijn niet in tegenspraak met de isotoopmeting van ROSINA in het water van de komeet, die significant verschilde van die van inheems water. Omdat xenon alleen in sporen in de atmosfeer aanwezig is, terwijl de aarde enorme hoeveelheden water in de oceanen en de atmosfeer bevat, kometen hadden zeker kunnen bijdragen aan het xenon dat op aarde wordt gevonden zonder het inheemse water te veel te veranderen. "De xenon-bevindingen ondersteunen ook het idee dat organisch materiaal naar de aarde kwam via kometen - zoals fosfor en het aminozuur glycine, die beide door ROSINA op de komeet werden gevonden - wat potentieel cruciaal was voor de evolutie van het leven op aarde", zegt Altwegg. uiteindelijk, het verschil tussen het komeet xenon en het xenon gevonden in het zonnestelsel geeft aan dat de zogenaamde protosolaire nevel die leidde tot de vorming van de zon, planeten en kleine lichamen, was een chemisch nogal heterogene plaats. "Dit ondersteunt eerdere metingen door ROSINA, zoals de onverwachte ontdekking van moleculaire zuurstof (O2) of moleculaire zwavel (S2)", zegt Altwegg.

Tweede publicatie bevestigt bevindingen

In een andere publicatie een onderzoeksgroep onder leiding van Martin Rubin (CSH) kon aantonen dat silicium op de komeet niet de gemiddelde isotopenverhouding van ons zonnestelsel laat zien. De ROSINA-gegevens laten dus zien dat materiaal uit het vroege zonnestelsel afkomstig is van verschillende voorgangers. Net als bij xenon, dit betekent dat de chemische samenstelling van het vroege zonnestelsel heterogeen was, dus niet "uniform" gemengd zoals eerder werd aangenomen. De tweede publicatie verschijnt in Astronomie en astrofysica . ROSINA had al vroeg in de missie siliciumatomen ontdekt in de gasomhulling van de komeet. Deze siliciumatomen werden door de inslaande zonnewind van het oppervlak van de komeet gesputterd. Een nauwkeurige analyse door Martin Rubin van het CSH heeft nu aangetoond dat siliciumisotopen ook een anomalie vertonen in vergelijking met zonne-silicium. De zware siliciumisotopen komen minder vaak voor in vergelijking met de mix die wordt gevonden in de buurt van de zon en meteorieten. Dit suggereert dat kometen worden gevormd in een gebied van de protosolaire nevel dat een niet-solaire chemische samenstelling vertoont - en dus mogelijk materiaal heeft overgenomen van een andere ster of supernova in de buurt.

Zelfs kometenwater komt van buiten

Een derde recent verschenen publicatie bewijst met het gebruik van waterstofisotopen definitief dat komeetwater - zogenaamd "zwaar" water (D2O) - werd gevormd vóór de vorming van het zonnestelsel en werd bevroren als pre-zonne-ijs in kometen. Deze bevindingen werden gepubliceerd in een speciale editie van "Philosophical Transaction of the Royal Society, Londen".

"Onze bevindingen in alle drie de onderzoeken hebben het hoofddoel van de Rosetta-missie bereikt, namelijk om voor het eerst kwantitatieve indicaties te vinden van de vorming van de aarde en ons zonnestelsel', zegt Altwegg.