Een onderzoeksgroep van de Kobe University heeft aangetoond dat de warmte die wordt gegenereerd door de inslag van een klein astronomisch lichaam ertoe kan leiden dat waterige veranderingen en organische vaste stoffen op het oppervlak van een asteroïde plaatsvinden. Ze bereikten dit door eerst experimenten met hoge snelheid inslagkraters uit te voeren met behulp van een asteroïde-achtig doelmateriaal en de warmteverdeling na de botsing rond de resulterende krater te meten. Uit deze resultaten blijkt ze hebben toen een vuistregel opgesteld voor de maximale temperatuur en de duur van de verwarming, en ontwikkelde hieruit een warmtegeleidingsmodel.

De onderzoeksgroep bestond uit de volgende leden van de Graduate School of Science van de Kobe University; Docent YASUI Minami, TAZAWA Taku (2e jaars masterstudent op het moment van onderzoek), HASHIMOTO Ryohei (toen een 4e jaars student aan de Faculteit Wetenschappen) en Professor ARAKAWA Masahiko, naast JAXA Space Exploration Center's Associate Senior Researcher OGAWA Kazunori (die ten tijde van het onderzoek technisch specialist was aan de Kobe University).

Deze resultaten hebben het ruimtelijke en temporele bereik uitgebreid waarbinnen de noodzakelijke voorwaarden voor waterige verandering en vorming van organische vaste stoffen kunnen optreden. Dit zal naar verwachting het aantal toekomstige astronomische lichamen die water en de oorsprong van leven naar de aarde hadden kunnen brengen, aanzienlijk vergroten.

Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het Britse wetenschappelijke tijdschrift Communicatie Aarde en Milieu op 18 mei, 2021.

Hoofdpunten

• De onderzoekers gebruikten poreus gips als imitatie-asteroïde en plaatsten er meerdere thermokoppels in. Ze voerden botsingsexperimenten met hoge snelheid uit op dit doelwit met botssnelheden van 1 km/s en meer, en slaagde erin kort na de inslag veranderingen in temperatuurduur rond de resulterende krater te meten.
• Hieruit bleek dat, ongeacht de impactsnelheid en de grootte en dichtheid van het projectiel, de maximale temperatuur en de duur ervan waren afhankelijk van de dimensieloze afstand (de afstand vanaf het inslagpunt geschaald door de kraterstraal).
• Met behulp van de bovenstaande resultaten, de onderzoekers berekenden de tijdelijke veranderingen in thermische warmteverdeling na de vorming van de krater op het oppervlak van de asteroïde. Deze berekeningen suggereerden dat, op afstanden binnen 2 astronomische eenheden, waterige verandering kan optreden als de krater een straal heeft van meer dan 20 km, en de vorming van organische vaste stoffen kan worden ondersteund door kraters van meer dan 1 km.
• Deze bevindingen zullen het mogelijk maken dat een groter aantal astronomische lichamen kan worden beschouwd als kandidaten voor de bron van het water en de organische stoffen die nodig zijn voor het begin van het leven op aarde.

Onderzoeksachtergrond

Er wordt aangenomen dat het water en de organische stoffen die nodig zijn om het leven op aarde te laten beginnen, het resultaat waren van een komeet of asteroïde die de planeet insloeg. Mineralen en organische stoffen die een waterige verandering hebben ondergaan, zijn ontdekt in meteorieten (waaruit asteroïden ontstaan), het bewijs leveren dat ze ooit water bevatten. Echter, een warmtebron is nodig voor de chemische reacties die veranderingen in het water en de vorming van organische vaste stoffen in asteroïden veroorzaken.

Een voldoende sterke warmtebron is de radioactieve vervalverhitting van ²⁶ Al, een kortlevende radioactieve nuclide gevonden in rotsen. Echter, er wordt gezegd dat de radioactieve verwarming die waterverandering en vaste vorming op asteroïde ouderlichamen (*4) veroorzaakte, pas aan het begin van de geschiedenis van het zonnestelsel had kunnen plaatsvinden vanwege de korte halfwaardetijd van ²⁶ Al (720, 000 jaar).

In recente jaren, de theorie dat de impactwarmte die wordt gegenereerd wanneer een klein astronomisch lichaam een ​​asteroïde raakt, ook een levensvatbare warmtebron kan zijn, begint aandacht te krijgen. Echter, het is niet bekend hoeveel warmte wordt gegenereerd, afhankelijk van de kenmerken van het astronomische lichaam (grootte, dichtheid, botssnelheid) en hoe ver binnen de asteroïde deze gegenereerde warmte wordt overgedragen. Tot nu toe, er zijn geen studies geweest die dit proces van warmteontwikkeling en -vermeerdering experimenteel hebben onderzocht om te bepalen of waterige verandering en vorming van organische stoffen mogelijk zou zijn.

onderzoeksmethode

Deze onderzoeksgroep voerde laboratoriumexperimenten uit om de relatie te onderzoeken tussen de inslagwarmte die wordt gegenereerd op een asteroïde (als gevolg van de inslag van een klein astronomisch lichaam) en de kenmerken van de inslag. Voor het doel, ze gebruikten gips (een poreus mineraal samengesteld uit calciumsulfaatdihydraat) om een ​​asteroïde te imiteren. Ze versnelden projectielen op het doelwit met hoge inslagsnelheden van 1 km/s tot 5 km/s met behulp van het tweetraps horizontale gaskanon van de Kobe University (Figuur 1). Er werden meerdere thermokoppels geplaatst in het gipsdoel om de temperatuurveranderingen na de impact te meten. In deze reeks experimenten de onderzoekers veranderden de grootte, dichtheid, botssnelheid van de projectielen en de posities van de thermokoppels om de verschillen in warmteduur te onderzoeken, afhankelijk van de kenmerken van de impact (Figuur 2).

Uit de warmteduurgrafiek, de onderzoeksgroep onderzocht de maximale temperatuur en de duur ervan, en bekeken hoe dit zich verhoudt tot de impactkenmerken (Figuur 3). Door de dimensieloze afstand te gebruiken die is verkregen door de afstand vanaf het inslagpunt (waar het projectiel het doelwit raakte) te normaliseren met de kraterstraal, ze hebben met succes bepaald hoe de maximale temperatuur en de duur ervan worden gewijzigd door impactkenmerken en hebben hiervoor een vuistregel bedacht. Vervolgens een warmtegeleidingsmodel construeren waarin deze vuistregel is verwerkt, stelden hen in staat de warmteverdeling rond de krater op het oppervlak van de asteroïde te berekenen (Figuur 4). De onderzoeksgroep vergeleek de numerieke resultaten van het warmtegeleidingsmodel met gegevens over de benodigde warmte en duur voor waterige verandering en organische vastestofvorming verkregen uit eerdere analyses van meteorieten. Deze resultaten toonden aan dat waterige verandering zou kunnen optreden als een krater met een straal van meer dan 20 km werd gevormd binnen 2au van de zon. In aanvulling, ze schatten dat zelfs een kleine krater met een straal van 100 m op een asteroïde binnen 4au tot 100 graden Celsius zou kunnen opwarmen, wat betekent dat het de vorming van organische vaste stoffen zou kunnen ondersteunen. De meeste asteroïden bevinden zich binnen 4 au. De onderzoekers ontdekten ook dat als een krater met een straal van meer dan 1 km wordt gevormd binnen 2au, de omtrek van de krater kan oplopen tot 0 graden Celsius (de temperatuur waarbij ijs water wordt), waardoor organische vaste stoffen kunnen worden gevormd.

Verdere ontwikkelingen

Er wordt gedacht dat radioactief verval verwarming van ²⁶ Al triggert de chemische reacties voor waterige verandering en organische vaste stofvorming op asteroïden. Echter, deze opwarming kan alleen plaatsvinden in de buurt van de kern van relatief grote asteroïden met een diameter van tientallen kilometers. Verder, er wordt gezegd dat dit alleen binnen een miljoen jaar na de vorming van de zon had kunnen gebeuren vanwege de korte halfwaardetijd van ²⁶ Al. Anderzijds, botsingen tussen asteroïden komen nog steeds voor, en het is mogelijk dat dergelijke botsingen het oppervlak van zelfs kleine asteroïden opwarmen, op voorwaarde dat de inslag de asteroïde zelf niet vernietigt. Met andere woorden, deze onderzoeksresultaten tonen aan dat het potentieel voor asteroïden om waterige verandering en organische vaste formatie te ondersteunen tijdelijk en ruimtelijk veel groter is dan eerder werd gedacht. Dit zal ertoe bijdragen dat een groter aantal astrologische lichamen wordt beschouwd als kandidaten die het water en de organische stoffen voor het begin van het leven op aarde hebben gebracht.

Vervolgens hoopt de onderzoeksgroep monsters te onderzoeken die zijn teruggekeerd van asteroïde-verkenningsmissies die niet alleen door Japan, maar ook door andere landen zijn uitgevoerd. Als in de verzamelde monsters waterig gewijzigde mineralen of organische stoffen zouden worden ontdekt, dit zou het bewijs kunnen leveren van de effecten van impactverwarming.