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C-Typ-Asteroiden sind flüchtig und reich an organischer Substanz. Sie könnten eine der wichtigsten Wasserquellen der Erde sein. Kohlenstoffhaltige Chondriten geben derzeit den besten Einblick in ihre chemische Zusammensetzung, doch die Informationen über Meteoriten sind verzerrt: Nur die beständigsten Typen überleben den Eintritt in die Atmosphäre und die anschließende Interaktion mit der Erdumgebung. Hier präsentieren wir die Ergebnisse einer detaillierten volumetrischen und mikroanalytischen Untersuchung des primären Ryugu-Partikels, das von der Raumsonde Hayabusa-2 zur Erde gebracht wurde. Ryugu-Partikel weisen in ihrer Zusammensetzung eine enge Übereinstimmung mit chemisch unfraktionierten, aber wassermodifizierten CI-Chondriten (Iwuna-Typ) auf, die häufig als Indikator für die Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems verwendet werden. Dieses Exemplar zeigt eine komplexe räumliche Beziehung zwischen reichhaltigen aliphatischen organischen Verbindungen und Schichtsilikaten und weist auf eine Maximaltemperatur von etwa 30 °C während der Wassererosion hin. Wir fanden eine Fülle von Deuterium und Diazonium, was mit einem extrasolaren Ursprung vereinbar ist. Ryugu-Partikel sind das reinste und untrennbarste außerirdische Material, das jemals untersucht wurde, und passen am besten zur Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems.
Von Juni 2018 bis November 2019 führte die Raumsonde Hayabusa2 der japanischen Raumfahrtagentur JAXA eine umfangreiche Fernuntersuchung des Asteroiden Ryugu durch. Daten des Nahinfrarotspektrometers (NIRS3) von Hayabusa-2 deuten darauf hin, dass Ryugu aus einem Material bestehen könnte, das thermisch und/oder schockmetamorphen kohligen Chondriten ähnelt. Die beste Entsprechung ist CY-Chondrit (Yamato-Typ) 2. Ryugus niedriges Albedo lässt sich durch das Vorhandensein einer großen Zahl kohlenstoffreicher Komponenten sowie durch Partikelgröße, Porosität und räumliche Verwitterungseffekte erklären. Die Raumsonde Hayabusa-2 landete zweimal auf Ryugu und sammelte Proben. Bei der ersten Landung am 21. Februar 2019 wurde Oberflächenmaterial gewonnen und in Abteil A der Rückkehrkapsel gelagert, bei der zweiten Landung am 11. Juli 2019 wurde Material in der Nähe eines künstlichen Kraters gesammelt, der von einem kleinen tragbaren Impaktkörper gebildet wurde. Diese Proben werden in Station C gelagert. Eine erste zerstörungsfreie Charakterisierung der Partikel in Phase 1 in speziellen, unkontaminierten und mit reinem Stickstoff gefüllten Kammern in von der JAXA verwalteten Einrichtungen ergab, dass die Ryugu-Partikel CI4-Chondriten am ähnlichsten sind und „verschiedene Variationsgrade“ aufweisen.3 Die scheinbar widersprüchliche Klassifizierung von Ryugu als ähnlich zu CY- oder CI-Chondriten kann nur durch eine detaillierte isotopische, elementare und mineralogische Charakterisierung der Ryugu-Partikel geklärt werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse liefern eine solide Grundlage für die Bestimmung, welche dieser beiden vorläufigen Erklärungen für die Gesamtzusammensetzung des Asteroiden Ryugu am wahrscheinlichsten ist.
Acht Ryugu-Pellets (insgesamt ca. 60 mg), vier aus Kammer A und vier aus Kammer C, wurden der zweiten Phase zur Leitung des Kochi-Teams zugewiesen. Hauptziel der Studie ist es, die Natur, den Ursprung und die Entwicklungsgeschichte des Asteroiden Ryugu aufzuklären und Ähnlichkeiten und Unterschiede mit anderen bekannten außerirdischen Proben wie Chondriten, interplanetaren Staubpartikeln (IDPs) und zurückkehrenden Kometen zu dokumentieren. Die Proben wurden von der Stardust-Mission der NASA gesammelt.
Detaillierte mineralogische Analysen von fünf Ryugu-Körnern (A0029, A0037, C0009, C0014 und C0068) zeigten, dass diese hauptsächlich aus fein- und grobkörnigen Phyllosilikaten bestehen (~64–88 Vol.-%; Abb. 1a, b, ergänzende Abb. 1 und Zusatztabelle 1). Grobkörnige Phyllosilikate kommen als gefiederte Aggregate (bis zu einigen zehn Mikrometern Größe) in feinkörnigen, phyllosilikatreichen Matrizen (weniger als wenige Mikrometer Größe) vor. Schichtsilikatpartikel sind Serpentin-Saponit-Symbionten (Abb. 1c). Die (Si + Al)-Mg-Fe-Karte zeigt auch, dass die schichtsilikathaltige Matrix eine Zusammensetzung zwischen Serpentin und Saponit aufweist (Abb. 2a, b). Die Phyllosilikatmatrix enthält Karbonatmineralien (~2–21 Vol.-%), Sulfidmineralien (~2,4–5,5 Vol.-%) und Magnetit (~3,6–6,8 Vol.-%). Eines der in dieser Studie untersuchten Partikel (C0009) enthielt eine kleine Menge (~0,5 Vol.-%) wasserfreie Silikate (Olivin und Pyroxen), was bei der Identifizierung des Ausgangsmaterials helfen könnte, aus dem der rohe Ryugu-Stein bestand5. Dieses wasserfreie Silikat ist in Ryugu-Pellets selten und wurde nur im Pellet C0009 positiv identifiziert. Karbonate kommen in der Matrix als Fragmente (weniger als einige hundert Mikrometer) vor, hauptsächlich als Dolomit, mit geringen Mengen Calciumcarbonat und Brinell. Magnetit kommt als isolierte Partikel, Framboide, Plaques oder kugelförmige Aggregate vor. Sulfide werden hauptsächlich durch Pyrrhotin in Form unregelmäßiger hexagonaler Prismen/Platten oder Latten repräsentiert. Die Matrix enthält eine große Menge an submikronischem Pentlandit oder in Kombination mit Pyrrhotin. Kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm groß) kommen in der schichtsilikatreichen Matrix ubiquitär vor. Kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm groß) kommen in der schichtsilikatreichen Matrix ubiquitär vor. Die meisten Bilder (Größe < 10 Minuten) werden regelmäßig in die Matrix der Fillossilikate eingefügt. Kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm groß) kommen in der schichtsilikatreichen Matrix ubiquitär vor.富含碳的相（尺寸<10 µm）普遍存在于富含层状硅酸盐的基质中。富含碳的相（尺寸<10 µm）普遍存在于富含层状硅酸盐的基质中。 Die neuesten Fotos (Größe < 10 Minuten) werden in eine leere Fillossilikatmatrix umgewandelt. In der schichtsilikatreichen Matrix überwiegen kohlenstoffreiche Phasen (Größe < 10 µm).Weitere zusätzliche Mineralien sind in der Ergänzungstabelle 1 aufgeführt. Die Liste der Mineralien, die aus dem Röntgenbeugungsmuster der Mischung C0087, A0029 und A0037 ermittelt wurde, stimmt weitgehend mit der im CI (Orgueil)-Chondrit ermittelten überein, unterscheidet sich jedoch erheblich von den CY- und CM (Mighei-Typ)-Chondriten (Abbildung 1 mit erweiterten Daten und ergänzende Abbildung 2). Der Gesamtelementgehalt der Ryugu-Körner (A0098, C0068) stimmt auch mit dem Chondrit 6 CI überein (erweiterte Daten, Abbildung 2 und Ergänzungstabelle 2). Im Gegensatz dazu sind CM-Chondrite arm an mäßig und hochflüchtigen Elementen, insbesondere Mn und Zn, und reich an refraktären Elementen7. Die Konzentrationen einiger Elemente variieren stark, was die inhärente Heterogenität der Probe aufgrund der geringen Größe einzelner Partikel und der daraus resultierenden Stichprobenverzerrung widerspiegeln kann. Alle petrologischen, mineralogischen und elementaren Eigenschaften deuten darauf hin, dass Ryugu-Körner den Chondriten CI8,9 und CI10 sehr ähnlich sind. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist das Fehlen von Ferrihydrit und Sulfat in Ryugu-Körnern. Dies deutet darauf hin, dass diese Minerale in CI-Chondriten durch terrestrische Verwitterung entstanden sind.
a, Zusammengesetztes Röntgenbild von Mg Kα (rot), Ca Kα (grün), Fe Kα (blau) und S Kα (gelb) – trocken polierter Abschnitt C0068. Die Fraktion besteht aus Schichtsilikaten (rot: ~88 Vol.-%), Carbonaten (Dolomit; hellgrün: ~1,6 Vol.-%), Magnetit (blau: ~5,3 Vol.-%) und Sulfiden (gelb: Sulfid = ~2,5 Vol.-%). b, Bild des Konturbereichs in rückgestreuten Elektronen auf a. Bru – unreif; Dole – Dolomit; FeS ist Eisensulfid; Mag – Magnetit; Saft – Speckstein; Srp – Serpentin. c, hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Bild einer typischen Saponit-Serpentin-Verwachsung mit Serpentin- und Saponit-Gitterbändern von 0,7 nm bzw. 1,1 nm.
Die Zusammensetzung der Matrix und des Schichtsilikats (at %) der Partikel Ryugu A0037 (durchgezogene rote Kreise) und C0068 (durchgezogene blaue Kreise) ist im ternären System (Si+Al)-Mg-Fe dargestellt. a, Ergebnisse der Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) aufgetragen gegen CI-Chondriten (Ivuna, Orgueil, Alais)16, die zum Vergleich in Grau dargestellt sind. b, Raster-TEM- (STEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)-Analyse zum Vergleich mit den Meteoriten Orgueil9 und Murchison46 und hydratisiertem IDP47. Feinkörnige und grobkörnige Phyllosilikate wurden analysiert, wobei kleine Partikel von Eisensulfid vermieden wurden. Die gepunkteten Linien in a und b zeigen die Lösungslinien von Saponit und Serpentin. Die eisenreiche Zusammensetzung in a kann auf submikronische Eisensulfidkörner innerhalb der Schichtsilikatkörner zurückzuführen sein, was durch die räumliche Auflösung der EPMA-Analyse nicht ausgeschlossen werden kann. Datenpunkte mit einem höheren Si-Gehalt als der Saponit in b können durch das Vorhandensein von nanometergroßem amorphem siliziumreichem Material in den Zwischenräumen der Phyllosilikatschicht verursacht werden. Anzahl der Analysen: N=69 für A0037, N=68 für EPMA, N=68 für C0068, N=19 für A0037 und N=27 für C0068 für STEM-EDS. c, Isotopenkarte des Trioxypartikels Ryugu C0014-4 verglichen mit Chondritwerten CI (Orgueil), CY (Y-82162) und Literaturdaten (CM und C2-ung)41,48,49. Wir haben Daten für die Meteoriten Orgueil und Y-82162 erhalten. CCAM ist eine Linie wasserfreier kohlenstoffhaltiger Chondritmineralien, TFL ist eine Landtrennlinie. d, Δ17O- und δ18O-Karten des Ryugu-Partikels C0014-4, CI-Chondrit (Orgueil) und CY-Chondrit (Y-82162) (diese Studie). Δ17O_Ryugu: Der Wert von Δ17O C0014-1. Δ17O_Orgueil: Durchschnittlicher Δ17O-Wert für Orgueil. Δ17O_Y-82162: Durchschnittlicher Δ17O-Wert für Y-82162. CI- und CY-Daten aus der Literatur 41, 48, 49 werden zum Vergleich ebenfalls angezeigt.
Die Massenisotopenanalyse von Sauerstoff wurde an einer 1,83 mg schweren Probe des mittels Laserfluorierung aus granuliertem C0014 extrahierten Materials durchgeführt (Methoden). Zum Vergleich führten wir sieben Kopien von Orgueil (CI) (Gesamtmasse = 8,96 mg) und sieben Kopien von Y-82162 (CY) (Gesamtmasse = 5,11 mg) durch (Ergänzende Tabelle 3).
Abb. 2d zeigt eine deutliche Trennung von Δ17O und δ18O zwischen den gewichtsgemittelten Partikeln von Orgueil und Ryugu im Vergleich zu Y-82162. Der Δ17O-Wert des Ryugu-Partikels C0014-4 ist höher als der des Orgeil-Partikels, trotz der Überlappung bei 2 sd. Ryugu-Partikel weisen im Vergleich zu Orgeil höhere Δ17O-Werte auf, was dessen terrestrische Verschmutzung seit seinem Fall im Jahr 1864 widerspiegeln könnte. Verwitterung in der terrestrischen Umwelt11 führt zwangsläufig zur Aufnahme von atmosphärischem Sauerstoff, wodurch die Gesamtanalyse näher an die terrestrische Fraktionierungslinie (TFL) heranrückt. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit den zuvor diskutierten mineralogischen Daten, die belegen, dass Ryugu-Körner keine Hydrate oder Sulfate enthalten, Orgeil hingegen schon.
Basierend auf den oben genannten mineralogischen Daten stützen diese Ergebnisse eine Assoziation zwischen Ryugu-Körnern und CI-Chondriten, schließen jedoch eine Assoziation mit CY-Chondriten aus. Die Tatsache, dass Ryugu-Körner nicht mit CY-Chondriten assoziiert sind, die deutliche Anzeichen einer Dehydratationsmineralogie aufweisen, ist rätselhaft. Orbitalbeobachtungen von Ryugu scheinen darauf hinzudeuten, dass es dehydratisiert ist und daher wahrscheinlich aus CY-Material besteht. Die Gründe für diesen scheinbaren Unterschied bleiben unklar. Eine Sauerstoffisotopenanalyse anderer Ryugu-Partikel wird in einer Begleitarbeit 12 vorgestellt. Die Ergebnisse dieses erweiterten Datensatzes sind jedoch ebenfalls mit der Assoziation zwischen Ryugu-Partikeln und CI-Chondriten vereinbar.
Mithilfe koordinierter Mikroanalysetechniken (Ergänzende Abb. 3) untersuchten wir die räumliche Verteilung des organischen Kohlenstoffs über die gesamte Oberfläche des fokussierten Ionenstrahlanteils (FIB) C0068.25 (Abb. 3a–f). Feinstruktur-Röntgenabsorptionsspektren von Kohlenstoff (NEXAFS) am nahen Rand in Abschnitt C0068.25 zeigen mehrere funktionelle Gruppen – aromatisch oder C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH (287,5 eV) und C( =O)O (288,8 eV) – die Graphenstruktur fehlt bei 291,7 eV (Abb. 3a), was auf ein geringes Maß an thermischer Variation hindeutet. Der starke CH-Peak (287,5 eV) der partiellen organischen Stoffe von C0068.25 unterscheidet sich von den unlöslichen organischen Stoffen früher untersuchter kohliger Chondriten und ähnelt eher IDP14 und Kometenpartikeln, die von der Stardust-Mission gewonnen wurden. Ein starker CH-Peak bei 287,5 eV und ein sehr schwacher aromatischer oder C=C-Peak bei 285,2 eV weisen darauf hin, dass organische Verbindungen reich an aliphatischen Verbindungen sind (Abb. 3a und ergänzende Abb. 3a). Bereiche, die reich an aliphatischen organischen Verbindungen sind, befinden sich in grobkörnigen Phyllosilikaten sowie in Bereichen mit einer schlechten aromatischen (oder C=C) Kohlenstoffstruktur (Abb. 3c,d). Im Gegensatz dazu zeigte A0037,22 (Ergänzende Abb. 3) teilweise einen geringeren Gehalt an aliphatischen kohlenstoffreichen Bereichen. Die diesen Körner zugrunde liegende Mineralogie ist reich an Karbonaten, ähnlich wie Chondrit CI 16, was auf eine ausgedehnte Veränderung des Quellwassers hindeutet (Ergänzende Tabelle 1). Oxidierende Bedingungen begünstigen höhere Konzentrationen von Carbonyl- und Carboxyl-Funktionsgruppen in organischen Verbindungen, die mit Karbonaten assoziiert sind. Die Submikronverteilung von organischen Verbindungen mit aliphatischen Kohlenstoffstrukturen kann sich stark von der Verteilung grobkörniger Schichtsilikate unterscheiden. Im Meteoriten Tagish Lake wurden Hinweise auf aliphatische organische Verbindungen gefunden, die mit Phyllosilikat-OH assoziiert sind. Koordinierte mikroanalytische Daten weisen darauf hin, dass organische Materie, die reich an aliphatischen Verbindungen ist, in C-Typ-Asteroiden weit verbreitet und eng mit Phyllosilikaten assoziiert sein könnte. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit vorherigen Berichten über aliphatische/aromatische CHs in Ryugu-Partikeln, die mit MicroOmega, einem Nahinfrarot-Hyperspektralmikroskop, nachgewiesen wurden. Eine wichtige und ungelöste Frage ist, ob die in dieser Studie beobachteten einzigartigen Eigenschaften aliphatischer, kohlenstoffreicher organischer Verbindungen, die mit grobkörnigen Phyllosilikaten assoziiert sind, nur auf dem Asteroiden Ryugu zu finden sind.
a, NEXAFS-Kohlenstoffspektren, normiert auf 292 eV im aromatenreichen (C=C) Bereich (rot), im aliphatenreichen Bereich (grün) und in der Matrix (blau). Die graue Linie ist das unlösliche organische Spektrum von Murchison 13 zum Vergleich. au, Schiedseinheit. b, Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie-(STXM)-Spektralbild einer Kohlenstoff-K-Kante, das zeigt, dass der Abschnitt von Kohlenstoff dominiert wird. c, RGB-Kompositdiagramm mit aromatenreichen (C=C) Bereichen (rot), aliphatenreichen Bereichen (grün) und Matrix (blau). d, organische Stoffe, die reich an aliphatischen Verbindungen sind, sind in grobkörnigem Phyllosilikat konzentriert, der Bereich ist aus den weiß gepunkteten Kästen in b und c vergrößert. e, große Nanokügelchen (ng-1) in dem aus den weiß gepunkteten Kästen in b und c vergrößerten Bereich. For: Pyrrhotin. Pn: Nickelchromit. f, Nanoskalige Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS), Elementbilder von Wasserstoff (1H), Kohlenstoff (12C) und Stickstoff (12C14N), Bilder des 12C/1H-Elementverhältnisses und Kreuzbilder der Isotope δD, δ13C und δ15N – Abschnitt PG-1: präsolarer Graphit mit extremer 13C-Anreicherung (Ergänzende Tabelle 4).
Kinetische Studien zum Abbau organischer Stoffe in Murchison-Meteoriten können wichtige Informationen über die heterogene Verteilung aliphatischer organischer Stoffe in Ryugu-Körnern liefern. Diese Studie zeigt, dass aliphatische CH-Bindungen in organischer Substanz bis zu einer Maximaltemperatur von etwa 30 °C beim Ausgangsmaterial bestehen bleiben und/oder sich mit der Zeit-Temperatur-Beziehung verändern (z. B. 200 Jahre bei 100 °C und 0 °C 100 Millionen Jahre). Wenn der Vorläufer nicht länger als eine bestimmte Zeit auf eine gegebene Temperatur erhitzt wird, kann die ursprüngliche Verteilung aliphatischer organischer Stoffe, die reich an Phyllosilikat sind, erhalten bleiben. Veränderungen des Wassers im Muttergestein können diese Interpretation jedoch erschweren, da das carbonatreiche A0037 keine kohlenstoffreichen aliphatischen Bereiche aufweist, die mit Phyllosilikaten assoziiert sind. Diese geringe Temperaturänderung entspricht in etwa dem Vorhandensein von kubischem Feldspat in Ryugu-Körnern (Ergänzende Tabelle 1) 20.
Fraktion C0068.25 (ng-1; Abb. 3a–c,e) enthält eine große Nanokugel mit stark aromatischen (oder C=C), mäßig aliphatischen und schwachen Spektren von C(=O)O und C=O. Die Signatur des aliphatischen Kohlenstoffs stimmt nicht mit der Signatur unlöslicher organischer Stoffe und organischer Nanokugeln überein, die mit Chondriten assoziiert sind (Abb. 3a) 17,21. Raman- und Infrarotspektroskopieanalysen von Nanokugeln im Tagish-See haben gezeigt, dass sie aus aliphatischen und oxidierten organischen Verbindungen sowie ungeordneten polyzyklischen aromatischen organischen Verbindungen mit einer komplexen Struktur bestehen22,23. Da die umgebende Matrix organische Stoffe enthält, die reich an aliphatischen Verbindungen sind, könnte die Signatur des aliphatischen Kohlenstoffs in ng-1 ein analytisches Artefakt sein. Interessanterweise enthält ng-1 eingebettete amorphe Silikate (Abb. 3e), eine Textur, die bisher für keine extraterrestrische organische Substanz berichtet wurde. Amorphe Silikate können natürliche Bestandteile von ng-1 sein oder durch Amorphisierung wässriger/wasserfreier Silikate durch Ionen- und/oder Elektronenstrahlen während der Analyse entstehen.
NanoSIMS-Ionenbilder des Abschnitts C0068.25 (Abb. 3f) zeigen gleichmäßige Änderungen von δ13C und δ15N, mit Ausnahme der präsolaren Körner mit einer hohen 13C-Anreicherung von 30.811 ‰ (PG-1 im δ13C-Bild in Abb. 3f) (Ergänzende Tabelle 4). Röntgen-Elementarkornbilder und hochauflösende TEM-Bilder zeigen nur die Kohlenstoffkonzentration und den Abstand zwischen den Basalebenen von 0,3 nm, was Graphit entspricht. Es ist bemerkenswert, dass die Werte von δD (841 ± 394 ‰) und δ15N (169 ± 95 ‰), angereichert mit aliphatischer organischer Substanz, die mit grobkörnigen Phyllosilikaten verbunden ist, etwas höher ausfallen als der Durchschnitt für die gesamte Region C (δD = 528 ± 139 ‰). ‰, δ15N = 67 ± 15 ‰) in C0068.25 (Ergänzende Tabelle 4). Diese Beobachtung weist darauf hin, dass die aliphatischen organischen Stoffe in grobkörnigen Phyllosilikaten ursprünglicher sein könnten als die umgebenden organischen Stoffe, da letztere im ursprünglichen Körper möglicherweise einen Isotopenaustausch mit dem umgebenden Wasser durchgemacht haben. Alternativ können diese Isotopenveränderungen auch mit dem ursprünglichen Entstehungsprozess zusammenhängen. Man geht davon aus, dass feinkörnige Schichtsilikate in CI-Chondriten als Ergebnis einer kontinuierlichen Veränderung der ursprünglichen grobkörnigen wasserfreien Silikatcluster entstanden sind. Aliphatische organische Stoffe könnten sich vor der Entstehung des Sonnensystems aus Vorläufermolekülen in der protoplanetaren Scheibe oder im interstellaren Medium gebildet und dann während der Wasserveränderungen des (großen) Mutterkörpers Ryugu leicht verändert haben. Die Größe von Ryugu (<1,0 km) ist zu gering, um die innere Wärme für eine wässrige Veränderung zur Bildung wasserhaltiger Mineralien ausreichend aufrechtzuerhalten25. Die Größe von Ryugu (<1,0 km) ist zu gering, um genügend innere Wärme für eine wässrige Veränderung zur Bildung wasserhaltiger Mineralien aufrechtzuerhalten25. Größe (<1,0 KM) Nur ein kleines Stück, das für die Wasseraufbereitung mit der Wasseraufbereitung benötigt wird25. Größe (<1,0 km) Ryugu ist zu klein, um ausreichend innere Wärme für den Wasseraustausch zur Bildung von Wassermineralien aufrechtzuerhalten25. Ryugu 的尺寸（<1.0 公里）太小,不足以维持内部热量以进行水蚀变形成含水矿物25. Ryugu 的尺寸（<1.0 公里）太小,不足以维持内部热量以进行水蚀变形成含水矿物25. Größe (<1,0 km) klein, Sie können ein neues Fenster für die Wasseraufbereitung mit kleinen Wassermengen auffüllen25. Die Größe von Ryugu (<1,0 km) ist zu gering, um die innere Hitze zu unterstützen, die zur Umwandlung von Wasser in Wassermineralien erforderlich ist25.Daher könnten Ryugu-Vorgänger mit einer Größe von mehreren zehn Kilometern erforderlich sein. Organische Materie, die reich an aliphatischen Verbindungen ist, kann aufgrund der Verbindung mit grobkörnigen Schichtsilikaten ihre ursprünglichen Isotopenverhältnisse beibehalten. Die genaue Natur der schweren Isotopenträger bleibt jedoch aufgrund der komplexen und empfindlichen Vermischung der verschiedenen Komponenten in diesen FIB-Fraktionen ungewiss. Dabei kann es sich um organische Materie handeln, die reich an aliphatischen Verbindungen in Ryugu-Granulaten ist, oder um die sie umgebenden grobkörnigen Schichtsilikate. Zu beachten ist, dass organische Materie in fast allen kohligen Chondriten (einschließlich CI-Chondriten) tendenziell reicher an D als an Schichtsilikaten ist, mit Ausnahme der Meteoriten CM Paris 24 und 26.
Diagramme der Volumina δD und δ15N von FIB-Schnitten, die für A0002.23 und A0002.26, A0037.22 und A0037.23 und C0068.23, C0068.25 und C0068.26 FIB-Schnitte erhalten wurden (insgesamt sieben FIB-Schnitte von drei Ryugu-Partikeln). Ein Vergleich von NanoSIMS mit anderen Objekten des Sonnensystems ist in Abb. 4 (Ergänzende Tabelle 4)27,28 dargestellt. Volumenänderungen in δD und δ15N in den Profilen A0002, A0037 und C0068 stimmen mit denen im IDP überein, sind jedoch höher als in den CM- und CI-Chondriten (Abb. 4). Beachten Sie, dass der Bereich der δD-Werte für die Probe des Kometen 29 (-240 bis 1655 ‰) größer ist als der von Ryugu. Die Volumina δD und δ15N der Ryukyu-Profile sind in der Regel kleiner als der Durchschnitt für Kometen der Jupiterfamilie und der Oortschen Wolke (Abb. 4). Die niedrigeren δD-Werte der CI-Chondrite können den Einfluss terrestrischer Kontamination in diesen Proben widerspiegeln. In Anbetracht der Ähnlichkeiten zwischen Bells, Lake Tagish und IDP könnte die große Heterogenität der δD- und δN-Werte in Ryugu-Partikeln Änderungen in den anfänglichen Isotopensignaturen organischer und wässriger Zusammensetzungen im frühen Sonnensystem widerspiegeln. Die ähnlichen Isotopenänderungen in δD und δN in Ryugu- und IDP-Partikeln legen nahe, dass beide aus Material derselben Quelle entstanden sein könnten. Man nimmt an, dass IDPs aus Kometenquellen stammen 14 . Daher könnte Ryugu kometenähnliches Material und/oder zumindest Material aus dem äußeren Sonnensystem enthalten. Dies könnte sich jedoch als schwieriger erweisen als hier angegeben, und zwar aufgrund (1) der Mischung aus sphärolithischem und D-reichem Wasser auf dem Mutterkörper 31 und (2) des D/H-Verhältnisses des Kometen als Funktion der Kometenaktivität 32 . Die Gründe für die beobachtete Heterogenität der Wasserstoff- und Stickstoffisotope in Ryugu-Partikeln sind jedoch nicht vollständig geklärt, was teilweise an der begrenzten Zahl heute verfügbarer Analysen liegt. Die Ergebnisse der Wasserstoff- und Stickstoffisotopensysteme lassen dennoch die Möglichkeit aufkommen, dass Ryugu das meiste Material von außerhalb des Sonnensystems enthält und daher eine gewisse Ähnlichkeit mit Kometen aufweisen könnte. Das Ryugu-Profil zeigte keine erkennbare Korrelation zwischen δ13C und δ15N (Ergänzende Tabelle 4).
Die Gesamtisotopenzusammensetzung von H und N der Ryugu-Partikel (rote Kreise: A0002, A0037; blaue Kreise: C0068) korreliert mit der Sonnengröße 27, der Jupiter-Mittelwertfamilie (JFC27), den Kometen der Oortschen Wolke (OCC27), IDP28 und kohligen Chondren. Vergleich des Meteoriten 27 (CI, CM, CR, C2-ung). Die Isotopenzusammensetzung ist in der Ergänzungstabelle 4 angegeben. Die gepunkteten Linien stellen die terrestrischen Isotopenwerte für H und N dar.
Der Transport flüchtiger Stoffe (z. B. organischer Stoffe und Wasser) zur Erde gibt weiterhin Anlass zur Sorge26,27,33. Submikrone organische Stoffe, die mit groben Phyllosilikaten in den in dieser Studie identifizierten Ryugu-Partikeln assoziiert sind, könnten eine wichtige Quelle für flüchtige Stoffe sein. Organische Stoffe in grobkörnigen Phyllosilikaten sind besser vor Abbau16,34 und Zerfall35 geschützt als organische Stoffe in feinkörnigen Matrizen. Aufgrund der höheren Wasserstoffisotopenzusammensetzung in den Partikeln sind sie wahrscheinlich nicht die einzige Quelle für flüchtige Stoffe, die zur frühen Erde gelangten. Sie können mit Komponenten mit einer leichteren Wasserstoffisotopenzusammensetzung vermischt sein, wie kürzlich in der Hypothese des Vorhandenseins von durch Sonnenwind angetriebenem Wasser in Silikaten vorgeschlagen wurde.
In dieser Studie zeigen wir, dass CI-Meteoriten trotz ihrer geochemischen Bedeutung als Repräsentanten der Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems6,10 terrestrische kontaminierte Proben sind. Wir liefern außerdem direkte Beweise für Wechselwirkungen zwischen reichhaltiger aliphatischer organischer Substanz und benachbarten wasserhaltigen Mineralien und legen nahe, dass Ryugu extrasolares Material enthalten könnte37. Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen die Bedeutung der direkten Probenentnahme von Protoasteroiden und die Notwendigkeit, Proben unter vollständig inerten und sterilen Bedingungen zurückzubringen. Die hier präsentierten Beweise zeigen, dass Ryugu-Partikel zweifellos zu den am wenigsten kontaminierten Materialien des Sonnensystems gehören, die für die Laborforschung verfügbar sind. Die weitere Untersuchung dieser wertvollen Proben wird unser Verständnis der Prozesse des frühen Sonnensystems zweifellos erweitern. Ryugu-Partikel repräsentieren die Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems am besten.
Zur Bestimmung der komplexen Mikrostruktur und der chemischen Eigenschaften von submikrometergroßen Proben verwendeten wir Synchrotronstrahlungs-basierte Computertomographie (SR-XCT), SR-Röntgenbeugung (XRD)-CT, FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM-Analyse. Es traten keine Degradation, keine Verschmutzung durch die Erdatmosphäre und keine Schäden durch Feinstaub oder mechanische Proben auf. Inzwischen führten wir systematische volumetrische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM)-EDS, EPMA, XRD, instrumenteller Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) und Laser-Sauerstoff-Isotopenfluorierung durch. Die Untersuchungsverfahren sind in der ergänzenden Abbildung 3 dargestellt, und jede Untersuchung wird in den folgenden Abschnitten beschrieben.
Partikel des Asteroiden Ryugu wurden aus dem Wiedereintrittsmodul von Hayabusa-2 geborgen und zum JAXA-Kontrollzentrum im japanischen Sagamihara transportiert, ohne die Erdatmosphäre zu verschmutzen4. Nach der ersten und zerstörungsfreien Charakterisierung in einer von der JAXA verwalteten Einrichtung werden verschließbare Transportbehälter und Probenkapselbeutel (Saphirglas und Edelstahl mit 10 oder 15 mm Durchmesser, je nach Probengröße) für den Transport zwischen den Standorten verwendet, um Umwelteinflüsse und/oder Bodenverunreinigungen (z. B. Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe, atmosphärische Gase und Feinstaub) sowie Kreuzkontaminationen zwischen den Proben während der Probenvorbereitung und des Transports zwischen Instituten und Universitäten zu vermeiden38. Um eine Verschlechterung und Verschmutzung durch Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre (Wasserdampf und Sauerstoff) zu vermeiden, wurden alle Arten der Probenvorbereitung (einschließlich des Absplitterns mit einem Tantalmeißel, der Verwendung einer ausgewogenen Diamantdrahtsäge (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) und des Schneidens von Epoxidharz) in einer Handschuhbox unter sauberem, trockenem N2 (Taupunkt: -80 bis -60 °C, O2 ~50–100 ppm) durchgeführt. Alle hier verwendeten Gegenstände werden mit einer Kombination aus Reinstwasser und Ethanol unter Verwendung von Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz gereinigt.
Hier untersuchen wir die Meteoritensammlung des National Polar Research Institute (NIPR) des Antarctic Meteorite Research Center (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 und CY: Y 980115).
Für den Transfer zwischen Instrumenten für SR-XCT-, NanoSIMS-, STXM-NEXAFS- und TEM-Analysen verwendeten wir den universellen ultradünnen Probenhalter, der in früheren Studien beschrieben wurde38.
Die SR-XCT-Analyse der Ryugu-Proben wurde mit dem integrierten CT-System BL20XU/SPring-8 durchgeführt. Das integrierte CT-System verfügt über verschiedene Messmodi: Weitwinkel- und Niedrigauflösungsmodus (WL) zur Erfassung der gesamten Probenstruktur, Engwinkel- und Hochauflösungsmodus (NH) zur präzisen Messung der Probenfläche. Röntgenaufnahmen zur Erfassung eines Beugungsmusters des Probenvolumens sowie XRD-CT zur Erstellung eines 2D-Diagramms der horizontalen Mineralphasen in der Probe. Alle Messungen können ohne das integrierte System zum Abnehmen des Probenhalters von der Basis durchgeführt werden, was präzise CT- und XRD-CT-Messungen ermöglicht. Der WL-Modus-Röntgendetektor (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) war mit einer zusätzlichen 4608 × 4608 Pixel großen Metalloxid-Halbleiterkamera (CMOS) (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) ausgestattet. Der Szintillator bestand aus einem 10 µm dicken Lutetium-Aluminium-Granat-Einkristall (Lu3Al5O12:Ce) und einer Relaislinse. Die Pixelgröße im WL-Modus betrug ca. 0,848 µm. Somit betrug das Sichtfeld (FOV) im WL-Modus im Offset-CT-Modus ca. 6 mm. Der Röntgendetektor im NH-Modus (BM AA50; Hamamatsu Photonics) war mit einem 20 µm dicken Gadolinium-Aluminium-Gallium-Granat-Szintillator (Gd3Al2Ga3O12), einer CMOS-Kamera (C11440-22CU) mit einer Auflösung von 2048 × 2048 Pixeln (Hamamatsu Photonics) und einem 20-fach-Objektiv ausgestattet. Die Pixelgröße im NH-Modus beträgt ca. 0,25 µm und das Sichtfeld ca. 0,5 mm. Der Detektor für den XRD-Modus (BM AA60; Hamamatsu Photonics) war mit einem Szintillator, bestehend aus einem 50 µm dicken P43 (Gd2O2S:Tb)-Pulverschirm, einer CMOS-Kamera (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) mit einer Auflösung von 2304 × 2304 Pixeln und einer Relaislinse ausgestattet. Der Detektor hat eine effektive Pixelgröße von 19,05 µm und ein Sichtfeld von 43,9 mm2. Zur Vergrößerung des Sichtfelds wurde ein Offset-CT-Verfahren im WL-Modus angewendet. Das Durchlichtbild für die CT-Rekonstruktion besteht aus einem horizontal um die Rotationsachse gespiegelten Bild im Bereich von 180° bis 360° und einem Bild im Bereich von 0° bis 180°.
Im XRD-Modus wird der Röntgenstrahl durch eine Fresnel-Zonenplatte fokussiert. In diesem Modus wird der Detektor 110 mm hinter der Probe platziert und der Strahlfänger befindet sich 3 mm vor dem Detektor. Es wurden Beugungsbilder im 2θ-Bereich von 1,43° bis 18,00° (Gitterabstand d = 16,6 – 1,32 Å) aufgenommen, wobei der Röntgenfleck an der Unterseite des Detektorsichtfelds fokussiert wurde. Die Probe bewegt sich vertikal in gleichmäßigen Abständen, mit einer halben Drehung für jeden vertikalen Scanschritt. Wenn die Mineralpartikel die Bragg-Bedingung erfüllen, wenn sie um 180° gedreht werden, ist es möglich, eine Beugung der Mineralpartikel in der horizontalen Ebene zu erhalten. Die Beugungsbilder wurden dann für jeden vertikalen Scanschritt zu einem Bild kombiniert. Die Bedingungen für die SR-XRD-CT-Untersuchung sind nahezu dieselben wie für die SR-XRD-Untersuchung. Im XRD-CT-Modus wird der Detektor 69 mm hinter der Probe positioniert. Beugungsbilder im 2θ-Bereich reichen von 1,2° bis 17,68° (d = 19,73 bis 1,35 Å), wobei sich sowohl der Röntgenstrahl als auch der Strahlbegrenzer in der Mitte des Detektorsichtfelds befinden. Scannen Sie die Probe horizontal und drehen Sie sie um 180°. Die SR-XRD-CT-Bilder wurden mit den maximalen Mineralintensitäten als Pixelwerte rekonstruiert. Beim horizontalen Scannen wird die Probe typischerweise in 500–1000 Schritten gescannt.
Für alle Experimente wurde die Röntgenenergie auf 30 keV festgelegt, da dies die untere Grenze der Röntgendurchdringung in Meteoriten mit einem Durchmesser von etwa 6 mm darstellt. Die Anzahl der für alle CT-Messungen während einer 180°-Rotation aufgenommenen Bilder betrug 1800 (3600 im Offset-CT-Programm). Die Belichtungszeit für die Bilder betrug 100 ms im WL-Modus, 300 ms im NH-Modus, 500 ms für XRD und 50 ms für XRD-CT. Die typische Probenscanzeit beträgt etwa 10 Minuten im WL-Modus, 15 Minuten im NH-Modus, 3 Stunden für XRD und 8 Stunden für SR-XRD-CT.
CT-Bilder wurden mittels Faltungsrückprojektion rekonstruiert und auf einen linearen Dämpfungskoeffizienten von 0 bis 80 cm-1 normalisiert. Die Slice-Software wurde zur Analyse der 3D-Daten und die muXRD-Software zur Analyse der XRD-Daten verwendet.
Mit Epoxidharz fixierte Ryugu-Partikel (A0029, A0037, C0009, C0014 und C0068) wurden unter trockenen Bedingungen schrittweise auf der Oberfläche poliert, bis sie einen 0,5 µm (3M) Diamant-Läppfilm bildeten, wobei während des Poliervorgangs ein Kontakt des Materials mit der Oberfläche vermieden wurde. Die polierte Oberfläche jeder Probe wurde zunächst mittels Lichtmikroskopie und dann mithilfe von Rückstreuelektronen untersucht, um Mineralogie- und Texturbilder (BSE) der Proben sowie qualitative NIPR-Elemente zu erhalten. Dazu wurde ein JEOL JSM-7100F SEM mit energiedispersivem Spektrometer (AZtec) verwendet. Energie) Bild. Für jede Probe wurde der Gehalt an Haupt- und Nebenelementen mithilfe eines Elektronenstrahl-Mikroanalysators (EPMA, JEOL JXA-8200) analysiert. Analysieren Sie Phyllosilikat- und Carbonatpartikel bei 5 nA, natürliche und synthetische Standards bei 15 keV, Sulfide, Magnetit, Olivin und Pyroxen bei 30 nA. Die Modale Grade wurden aus Elementkarten und BSE-Bildern mit der Software ImageJ 1.53 berechnet, wobei für jedes Mineral willkürlich entsprechende Schwellenwerte festgelegt wurden.
Die Sauerstoffisotopenanalyse wurde an der Open University (Milton Keynes, Großbritannien) mithilfe eines Infrarot-Laserfluorierungssystems durchgeführt. Hayabusa2-Proben wurden in stickstoffgefüllten Behältern an die Open University 38 geliefert, um sie zwischen den Einrichtungen zu transportieren.
Die Probenbeladung erfolgte in einer Stickstoff-Handschuhbox bei einem überwachten Sauerstoffgehalt von unter 0,1 %. Für die analytische Arbeit mit Hayabusa2 wurde ein neuer Ni-Probenhalter hergestellt, der nur zwei Probenlöcher (Durchmesser 2,5 mm, Tiefe 5 mm) hatte, eines für Hayabusa2-Partikel und das andere für den inneren Obsidian-Standard. Während der Analyse wurde die Probenvertiefung mit dem Hayabusa2-Material mit einem internen BaF2-Fenster von etwa 1 mm Dicke und 3 mm Durchmesser abgedeckt, um die Probe während der Laserreaktion zu halten. Der BrF5-Fluss zur Probe wurde durch einen Gasmischkanal aufrechterhalten, der in den Ni-Probenhalter eingearbeitet war. Die Probenkammer wurde zudem neu konfiguriert, sodass sie aus der Vakuumfluorierungsleitung entfernt und dann in einer stickstoffgefüllten Handschuhbox geöffnet werden konnte. Die zweiteilige Kammer wurde mit einer Kompressionsdichtung mit Kupferdichtung und einer EVAC Quick Release CeFIX 38-Kettenklemme abgedichtet. Ein 3 mm dickes BaF2-Fenster an der Oberseite der Kammer ermöglicht die gleichzeitige Beobachtung der Probe und der Lasererhitzung. Nach dem Laden der Probe wird die Kammer wieder abgeklemmt und an die fluorierte Leitung angeschlossen. Vor der Analyse wurde die Probenkammer über Nacht unter Vakuum auf ca. 95 °C erhitzt, um adsorbierte Feuchtigkeit zu entfernen. Nach dem Erhitzen über Nacht wurde die Kammer auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, und anschließend wurde der während des Probentransfers der Atmosphäre ausgesetzte Teil mit drei Aliquots BrF5 gespült, um die Feuchtigkeit zu entfernen. Diese Verfahren stellen sicher, dass die Hayabusa 2-Probe nicht der Atmosphäre ausgesetzt ist und nicht durch Feuchtigkeit aus dem Teil der fluorierten Leitung verunreinigt wird, der während des Probenladens in die Atmosphäre entlüftet wird.
Die Partikelproben von Ryugu C0014-4 und Orgueil (CI) wurden in einem modifizierten „Einzelmodus“ analysiert42, während die Analyse von Y-82162 (CY) auf einer einzelnen Schale mit mehreren Probenvertiefungen durchgeführt wurde41. Aufgrund ihrer wasserfreien Zusammensetzung ist es nicht erforderlich, für CY-Chondrite eine einzelne Methode zu verwenden. Die Proben wurden mit einem Infrarot-CO2-Laser von Photon Machines Inc. mit einer Leistung von 50 W (10,6 µm), der auf dem XYZ-Portal in Gegenwart von BrF5 montiert war, erhitzt. Das eingebaute Videosystem überwacht den Verlauf der Reaktion. Nach der Fluorierung wurde das freigesetzte O2 mit zwei kryogenen Stickstofffallen und einem beheizten KBr-Bett gewaschen, um überschüssiges Fluor zu entfernen. Die Isotopenzusammensetzung des gereinigten Sauerstoffs wurde auf einem Thermo Fisher MAT 253-Zweikanal-Massenspektrometer mit einer Massenauflösung von etwa 200 analysiert.
In einigen Fällen betrug die während der Probenreaktion freigesetzte Menge an gasförmigem O2 weniger als 140 µg, was der ungefähren Grenze für die Verwendung des Balggeräts am MAT 253-Massenspektrometer entspricht. In diesen Fällen sollten Mikrovolumina für die Analyse verwendet werden. Nach der Analyse der Hayabusa2-Partikel wurde der interne Obsidianstandard fluoriert und seine Sauerstoffisotopenzusammensetzung bestimmt.
Ionen des NF+-NF3+-Fragments stören den Strahl mit der Masse 33 (16O17O). Um dieses potenzielle Problem zu vermeiden, werden die meisten Proben mittels kryogener Trennverfahren verarbeitet. Dies kann vor der MAT 253-Analyse oder als zweite Analyse erfolgen, indem das analysierte Gas nach der kryogenen Trennung in das spezielle Molekularsieb zurückgeführt und erneut durchgeleitet wird. Bei der kryogenen Trennung wird Gas bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff einem Molekularsieb zugeführt und anschließend bei einer Temperatur von -130 °C in ein primäres Molekularsieb abgeleitet. Umfangreiche Tests haben gezeigt, dass NF+ auf dem ersten Molekularsieb verbleibt und mit dieser Methode keine signifikante Fraktionierung stattfindet.
Basierend auf wiederholten Analysen unserer internen Obsidianstandards beträgt die Gesamtgenauigkeit des Systems im Balgmodus: ±0,053 ‰ für δ17O, ±0,095 ‰ für δ18O, ±0,018 ‰ für Δ17O (2 sd). Die Sauerstoffisotopenanalyse erfolgt in der Standard-Delta-Notation, wobei delta18O wie folgt berechnet wird:
Verwenden Sie auch das 17O/16O-Verhältnis für δ17O. VSMOW ist der internationale Standard für den Wiener Mittelwert des Meerwassers. Δ17O stellt die Abweichung von der Erdfraktionierungslinie dar. Die Berechnungsformel lautet: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Alle in der Ergänzungstabelle 3 dargestellten Daten wurden lückenbereinigt.
Mithilfe eines Hitachi High Tech SMI4050 FIB-Instruments am JAMSTEC (Kochi Core Sampling Institute) wurden etwa 150 bis 200 nm dicke Schnitte aus Ryugu-Partikeln extrahiert. Beachten Sie, dass alle FIB-Schnitte aus unbearbeiteten Fragmenten unbearbeiteter Partikel gewonnen wurden, nachdem diese zur Übertragung zwischen Objekten aus mit N2-Gas gefüllten Gefäßen entnommen wurden. Diese Fragmente wurden nicht mittels SR-CT gemessen, sondern mit minimaler Einwirkung der Erdatmosphäre verarbeitet, um mögliche Schäden und Verunreinigungen zu vermeiden, die das Kohlenstoff-K-Kanten-Spektrum beeinflussen könnten. Nach der Abscheidung einer Wolfram-Schutzschicht wurde der Bereich von Interesse (bis zu 25 × 25 μm2) geschnitten und mit einem Ga+-Ionenstrahl bei einer Beschleunigungsspannung von 30 kV, dann bei 5 kV und einem Sondenstrom von 40 pA verdünnt, um Oberflächenschäden zu minimieren. Die ultradünnen Schnitte wurden dann mithilfe eines mit FIB ausgestatteten Mikromanipulators auf einem vergrößerten Kupfernetz (Kochi-Netz) 39 platziert.
Ryugu A0098 (1,6303 mg) und C0068 (0,6483 mg) Pellets wurden in einer mit reinem Stickstoff gefüllten Handschuhbox auf dem SPring-8 zweimal in hochreinen Polyethylenfolien versiegelt, ohne dass es zu Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre kam. Die Probenvorbereitung für JB-1 (ein geologisches Referenzgestein des Geological Survey of Japan) erfolgte an der Tokyo Metropolitan University.
INAA wird am Institut für Integrierte Strahlungs- und Nuklearwissenschaften der Universität Kyoto durchgeführt. Die Proben wurden zweimal mit unterschiedlichen Bestrahlungszyklen bestrahlt, die entsprechend der Halbwertszeit des zur Elementquantifizierung verwendeten Nuklids ausgewählt wurden. Zunächst wurde die Probe 30 Sekunden lang in einer pneumatischen Bestrahlungsröhre bestrahlt. Die Flüsse thermischer und schneller Neutronen in Abb. 3 betragen 4,6 × 1012 bzw. 9,6 × 1011 cm-2 s-1 zur Bestimmung des Mg-, Al-, Ca-, Ti-, V- und Mn-Gehalts. Chemikalien wie MgO (99,99 % Reinheit, Soekawa Chemical), Al (99,9 % Reinheit, Soekawa Chemical) und Si-Metall (99,999 % Reinheit, FUJIFILM Wako Pure Chemical) wurden ebenfalls bestrahlt, um störende Kernreaktionen wie (n, n) zu korrigieren. Die Probe wurde außerdem mit Natriumchlorid (99,99 % Reinheit; MANAC) bestrahlt, um Änderungen im Neutronenfluss zu korrigieren.
Nach der Neutronenbestrahlung wurde die äußere Polyethylenfolie durch eine neue ersetzt und die von Probe und Referenz emittierte Gammastrahlung sofort mit einem Ge-Detektor gemessen. Dieselben Proben wurden erneut 4 Stunden lang in einer pneumatischen Bestrahlungsröhre bestrahlt. 2 hat thermische und schnelle Neutronenflüsse von 5,6 1012 bzw. 1,2 1012 cm-2 s-1 zur Bestimmung des Gehalts an Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Sb, Os, Ir und Au. Kontrollproben von Ga, As, Se, Sb, Os, Ir und Au wurden bestrahlt, indem entsprechende Mengen (von 10 bis 50 μg) von Standardlösungen bekannter Konzentrationen dieser Elemente auf zwei Stücke Filterpapier aufgetragen und die Proben anschließend bestrahlt wurden. Die Gammastrahlenzählung wurde am Institute of Integrated Radiation and Nuclear Sciences der Universität Kyoto und am RI Research Center der Tokyo Metropolitan University durchgeführt. Die analytischen Verfahren und Referenzmaterialien zur quantitativen Bestimmung von INAA-Elementen sind dieselben wie die in unserer vorherigen Arbeit beschriebenen.
Ein Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) wurde verwendet, um die Beugungsmuster der Ryugu-Proben A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) am NIPR zu erfassen. Ein Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) wurde verwendet, um die Beugungsmuster der Ryugu-Proben A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) am NIPR zu erfassen. Das intelligente Difraktormessgerät (Rigaku SmartLab) wurde für die Messung von Difraktorkarten von Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) in NIPR verwendet. Ein Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) wurde verwendet, um Beugungsmuster der Proben Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) in NIPR zu sammeln.使用使用 Ryugu A0029 (<1 MG), A0037 (<1 MG) und C0087 (<1 MG) wurden von NIPR mit Hilfe eines neuen Messgeräts (Rigaku SmartLab) aufgenommen. Röntgenbeugungsmuster der Proben Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) und C0087 (<1 mg) wurden am NIPR mit einem Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) erhalten.Alle Proben wurden mithilfe einer Saphirglasplatte auf einem nicht reflektierenden Silizium-Wafer zu einem feinen Pulver gemahlen und dann ohne Flüssigkeit (Wasser oder Alkohol) gleichmäßig auf dem nicht reflektierenden Silizium-Wafer verteilt. Die Messbedingungen sind wie folgt: Cu Kα-Röntgenstrahlung wird bei einer Röhrenspannung von 40 kV und einem Röhrenstrom von 40 mA erzeugt, die Grenzspaltlänge beträgt 10 mm, der Divergenzwinkel beträgt (1/6)°, die Rotationsgeschwindigkeit in der Ebene beträgt 20 U/min und der Bereich 2θ (doppelter Bragg-Winkel) beträgt 3–100° und die Analyse dauert etwa 28 Stunden. Es wurde Bragg-Brentano-Optik verwendet. Der Detektor ist ein eindimensionaler Silizium-Halbleiterdetektor (D/teX Ultra 250). Röntgenstrahlen von Cu Kβ wurden mithilfe eines Ni-Filters entfernt. Anhand verfügbarer Proben wurden Messungen von synthetischem Magnesia-Saponit (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd), Serpentin (Blatt-Serpentin, Miyazu, Nikka) und Pyrrhotin (monoklin 4C, Chihuahua, Mexiko Watts) verglichen, um Peaks zu identifizieren und Pulverdatei-Beugungsdaten des International Center for Diffraction Data, Dolomit (PDF 01-071-1662) und Magnetit (PDF 00-019-0629) zu verwenden. Beugungsdaten von Ryugu wurden zudem mit Daten zu hydroalterierten kohligen Chondriten, Orgueil CI, Y-791198 CM2.4 und Y 980115 CY (Heizstufe III, 500–750 °C), verglichen. Der Vergleich zeigte Ähnlichkeiten mit Orgueil, jedoch nicht mit Y-791198 und Y 980115.
NEXAFS-Spektren mit Kohlenstoffkante K von ultradünnen Schnitten von Proben aus FIB wurden mit dem STXM BL4U-Kanal an der UVSOR-Synchrotronanlage am Institute of Molecular Sciences (Okazaki, Japan) gemessen. Die Punktgröße eines mit einer Fresnel-Zonenplatte optisch fokussierten Strahls beträgt ca. 50 nm. Der Energieschritt beträgt 0,1 eV für die Feinstruktur des nahen Kantenbereichs (283,6 – 292,0 eV) und 0,5 eV (280,0 – 283,5 eV und 292,5 – 300,0 eV) für die Bereiche Vorder- und Rückseite. Die Zeit für jeden Bildpixel wurde auf 2 ms eingestellt. Nach der Evakuierung wurde die analytische Kammer des STXM mit Helium bei einem Druck von ca. 20 mbar gefüllt. Dies hilft, die thermische Drift der Röntgenoptik in der Kammer und dem Probenhalter zu minimieren und Probenschäden und/oder Oxidation zu verringern. NEXAFS K-Kanten-Kohlenstoffspektren wurden aus gestapelten Daten mit der Software aXis2000 und der proprietären Datenverarbeitungssoftware STXM generiert. Beachten Sie, dass das Probentransfergehäuse und die Handschuhbox verwendet werden, um Oxidation und Kontamination der Probe zu vermeiden.
Im Anschluss an die STXM-NEXAFS-Analyse wurde die Isotopenzusammensetzung von Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff in Ryugu-FIB-Scheiben mittels Isotopenbildgebung mit einem JAMSTEC NanoSIMS 50L analysiert. Ein fokussierter Cs+-Primärstrahl von ca. 2 pA für die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse und ca. 13 pA für die Wasserstoffisotopenanalyse wird über eine Fläche von ca. 24 × 24 µm² bis 30 × 30 µm² auf die Probe gerastert. Nach einer dreiminütigen Vorbesprühung mit relativ starkem Primärstrahlstrom wurde jede Analyse nach Stabilisierung der Sekundärstrahlintensität gestartet. Für die Analyse der Kohlenstoff- und Stickstoffisotope wurden Bilder von 12C–, 13C–, 16O–, 12C14N– und 12C15N– gleichzeitig unter Verwendung einer Multiplex-Detektion mit sieben Elektronenvervielfachern mit einer Massenauflösung von ungefähr 9000 erhalten, was ausreicht, um alle relevanten Isotopenverbindungen zu trennen. Interferenzen (d. h. 12C1H von 13C und 13C14N von 12C15N). Für die Analyse der Wasserstoffisotope wurden 1H-, 2D- und 12C-Bilder mit einer Massenauflösung von ungefähr 3000 mit Mehrfachdetektion unter Verwendung von drei Elektronenvervielfachern erhalten. Jede Analyse besteht aus 30 gescannten Bildern desselben Bereichs, wobei ein Bild aus 256 × 256 Pixeln für die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse und 128 × 128 Pixeln für die Wasserstoffisotopenanalyse besteht. Die Verzögerungszeit beträgt 3000 µs pro Pixel für die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse und 5000 µs pro Pixel für die Wasserstoffisotopenanalyse. Wir haben 1-Hydroxybenzotriazolhydrat als Wasserstoff-, Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenstandards verwendet, um die instrumentelle Massenfraktionierung zu kalibrieren45.
Zur Bestimmung der Silizium-Isotopenzusammensetzung von präsolarem Graphit im FIB C0068-25-Profil verwendeten wir sechs Elektronenvervielfacher mit einer Massenauflösung von etwa 9000. Die Bilder bestehen aus 256 × 256 Pixeln mit einer Verzögerungszeit von 3000 µs pro Pixel. Wir kalibrierten ein Massenfraktionierungsinstrument mit Silizium-Wafern als Wasserstoff-, Kohlenstoff- und Silizium-Isotopenstandards.
Die Isotopenbilder wurden mit der Bildgebungssoftware NanoSIMS45 der NASA verarbeitet. Die Daten wurden hinsichtlich der Totzeit des Elektronenvervielfachers (44 ns) und quasi-simultaner Ankunftseffekte korrigiert. Die Scan-Ausrichtung jedes Bildes wurde unterschiedlich gewählt, um die Bilddrift während der Aufnahme zu korrigieren. Das endgültige Isotopenbild entsteht durch die Addition sekundärer Ionen aus jedem Bild für jedes Scan-Pixel.
Nach der STXM-NEXAFS- und NanoSIMS-Analyse wurden dieselben FIB-Abschnitte mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEOL JEM-ARM200F) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV in Kochi, JAMSTEC, untersucht. Die Mikrostruktur wurde mit einem Hellfeld-TEM und einem Hochwinkel-Scan-TEM im Dunkelfeld beobachtet. Mineralphasen wurden durch Punktelektronenbeugung und Gitterbandabbildung identifiziert und die chemische Analyse wurde per EDS mit einem 100 mm2 Silizium-Driftdetektor und der Software JEOL Analysis Station 4.30 durchgeführt. Für die quantitative Analyse wurde die charakteristische Röntgenintensität für jedes Element im TEM-Scanmodus mit einer festen Datenerfassungszeit von 30 s, einem Strahlscanbereich von ~100 × 100 nm2 und einem Strahlstrom von 50 pA gemessen. Das Verhältnis (Si + Al)-Mg-Fe in Schichtsilikaten wurde mithilfe des experimentellen Koeffizienten k bestimmt, der für die Dicke korrigiert wurde und aus einem Standard aus natürlichem Pyropagranat gewonnen wurde.
Alle in dieser Studie verwendeten Bilder und Analysen sind auf dem JAXA Data Archiving and Communication System (DARTS) verfügbar: https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2. Dieser Artikel enthält die Originaldaten.
Kitari, K. et al. Oberflächenzusammensetzung des Asteroiden 162173 Ryugu, beobachtet vom Hayabusa2 NIRS3-Instrument. Science 364, 272–275.
Kim, AJ Yamato-artige kohlenstoffhaltige Chondrite (CY): Analoga der Ryugu-Asteroidenoberfläche? Geochemistry 79, 125531 (2019).
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