Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te kunnen blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Vluchtige en rijk aan organische stoffen, C-type asteroïden zijn mogelijk een van de belangrijkste waterbronnen op aarde. Momenteel geven koolstofhoudende chondrieten het beste beeld van hun chemische samenstelling, maar informatie over meteorieten is vertekend: alleen de meest duurzame soorten overleven de atmosfeer en de interactie met de aardse omgeving. Hier presenteren we de resultaten van een gedetailleerde volumetrische en microanalytische studie van het primaire Ryugu-deeltje dat door de Hayabusa-2-ruimtesonde naar de aarde is gebracht. Ryugu-deeltjes vertonen een nauwe overeenkomst in samenstelling met chemisch ongefractioneerde maar door water veranderde CI (Iwuna-type) chondrieten, die veel worden gebruikt als indicator voor de algehele samenstelling van het zonnestelsel. Dit exemplaar toont een complexe ruimtelijke relatie tussen rijke alifatische organische stoffen en gelaagde silicaten en wijst op een maximumtemperatuur van ongeveer 30 °C tijdens watererosie. We vonden een overvloed aan deuterium en diazonium, wat overeenkomt met een exoplanetaire oorsprong. Ryugu-deeltjes zijn het meest onbesmette en onafscheidelijke buitenaardse materiaal dat ooit is bestudeerd en passen het beste bij de algehele samenstelling van het zonnestelsel.
Van juni 2018 tot november 2019 voerde het ruimtevaartuig Hayabusa-2 van het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) een uitgebreid onderzoek op afstand uit naar asteroïde Ryugu. Gegevens van de Near Infrared Spectrometer (NIRS3) op Hayabusa-2 suggereren dat Ryugu mogelijk is samengesteld uit een materiaal dat vergelijkbaar is met thermisch en/of schokmetamorfe koolstofchondrieten. De beste match is CY-chondriet (type Yamato) 2. Ryugu's lage albedo kan worden verklaard door de aanwezigheid van een groot aantal koolstofrijke componenten, evenals door de deeltjesgrootte, porositeit en ruimtelijke verweringseffecten. Het ruimtevaartuig Hayabusa-2 maakte twee landingen en verzamelde monsters op Ryuga. Tijdens de eerste landing op 21 februari 2019 werd oppervlaktemateriaal verkregen, dat werd opgeslagen in compartiment A van de terugkeercapsule, en tijdens de tweede landing op 11 juli 2019 werd materiaal verzameld nabij een kunstmatige krater gevormd door een klein draagbaar inslaglichaam. Deze monsters worden opgeslagen in afdeling C. Een eerste niet-destructieve karakterisering van de deeltjes in fase 1 in speciale, niet-verontreinigde en met zuivere stikstof gevulde kamers in door JAXA beheerde faciliteiten gaf aan dat de Ryugu-deeltjes het meest leken op CI4-chondrieten en "verschillende niveaus van variatie"3 vertoonden. De schijnbaar tegenstrijdige classificatie van Ryugu, vergelijkbaar met CY- of CI-chondrieten, kan alleen worden opgelost door gedetailleerde isotopische, elementaire en mineralogische karakterisering van Ryugu-deeltjes. De hier gepresenteerde resultaten bieden een solide basis om te bepalen welke van deze twee voorlopige verklaringen voor de algehele samenstelling van asteroïde Ryugu het meest waarschijnlijk is.
Acht Ryugu-pellets (ongeveer 60 mg in totaal), vier uit Kamer A en vier uit Kamer C, werden toegewezen aan Fase 2 om het Kochi-team te begeleiden. Het hoofddoel van het onderzoek is om de aard, oorsprong en evolutionaire geschiedenis van de asteroïde Ryugu te verhelderen en overeenkomsten en verschillen met andere bekende buitenaardse monsters, zoals chondrieten, interplanetaire stofdeeltjes (IDP's) en terugkerende kometen, te documenteren. De monsters zijn verzameld door NASA's Stardust-missie.
Gedetailleerde mineralogische analyse van vijf Ryugu-korrels (A0029, A0037, C0009, C0014 en C0068) toonde aan dat ze voornamelijk bestaan ​​uit fijn- en grofkorrelige phyllosilicaten (~64–88 vol.%; figuur 1a, b, aanvullende figuur 1). Grofkorrelige phyllosilicaten komen voor als geveerde aggregaten (tot enkele tientallen micrometers groot) in fijnkorrelige, phyllosilicaatrijke matrices (kleiner dan enkele micrometers groot). Gelaagde silicaatdeeltjes zijn serpentijn-saponiet-symbionten (figuur 1c). De (Si + Al)-Mg-Fe-kaart laat ook zien dat de gelaagde silicaatmatrix een samenstelling heeft die tussen serpentijn en saponiet in ligt (figuur 2a, b). De phyllosilicaatmatrix bevat carbonaatmineralen (~2–21 vol.%), sulfidemineralen (~2,4–5,5 vol.%) en magnetiet (~3,6–6,8 vol.%). Een van de in deze studie onderzochte deeltjes (C0009) bevatte een kleine hoeveelheid (~0,5 vol.%) watervrije silicaten (olivijn en pyroxeen), wat kan helpen bij het identificeren van het bronmateriaal waaruit de ruwe Ryugu-steen is samengesteld. Dit watervrije silicaat is zeldzaam in Ryugu-pellets en werd alleen positief geïdentificeerd in C0009-pellets. Carbonaten zijn in de matrix aanwezig als fragmenten (minder dan een paar honderd micrometer), voornamelijk dolomiet, met kleine hoeveelheden calciumcarbonaat en brinell. Magnetiet komt voor als geïsoleerde deeltjes, framboïden, plaques of bolvormige aggregaten. Sulfiden worden voornamelijk vertegenwoordigd door pyrrhotiet in de vorm van onregelmatige hexagonale prisma's/platen of latten. De matrix bevat een grote hoeveelheid submicron-pentlandiet of in combinatie met pyrrhotiet. Koolstofrijke fasen (<10 µm groot) komen alomtegenwoordig voor in de fyllosilicaatrijke matrix. Koolstofrijke fasen (<10 µm groot) komen alomtegenwoordig voor in de fyllosilicaatrijke matrix. Meer informatie (<10 jaar) is mogelijk in het buitenland Controleer het apparaat. Koolstofrijke fasen (<10 µm groot) komen alomtegenwoordig voor in de fyllosilicaatrijke matrix.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。 Богатые углеродом фазы (размером <10 мкм) преобладают in богатой филлосиликатами матрице. In de fyllosilicaatrijke matrix overheersen koolstofrijke fasen (<10 µm groot).Andere hulpmineralen worden weergegeven in aanvullende tabel 1. De lijst met mineralen bepaald met behulp van het röntgendiffractiepatroon van het mengsel C0087, A0029 en A0037 komt sterk overeen met die bepaald in de CI (Orgueil) chondriet, maar verschilt aanzienlijk van de CY- en CM (Mighei-type) chondrieten (Figuur 1 met uitgebreide gegevens en aanvullende afbeelding 2). Het totale elementgehalte van Ryugu-korrels (A0098, C0068) komt ook overeen met chondriet 6 CI (uitgebreide gegevens, Fig. 2 en aanvullende tabel 2). CM-chondrieten daarentegen zijn uitgeput aan matig en zeer vluchtige elementen, met name Mn en Zn, en hoger aan refractaire elementen7. De concentraties van sommige elementen variëren sterk, wat mogelijk een weerspiegeling is van de inherente heterogeniteit van het monster als gevolg van de kleine omvang van individuele deeltjes en de resulterende bemonsteringsbias. Alle petrologische, mineralogische en elementaire kenmerken wijzen erop dat Ryugu-korrels sterk lijken op chondrieten CI8,9,10. Een opvallende uitzondering is de afwezigheid van ferrihydriet en sulfaat in Ryugu-korrels, wat suggereert dat deze mineralen in CI-chondrieten zijn gevormd door aardse verwering.
a, Samengestelde röntgenfoto van Mg Kα (rood), Ca Kα (groen), Fe Kα (blauw) en S Kα (geel) droog gepolijst gedeelte C0068. De fractie bestaat uit gelaagde silicaten (rood: ~88 vol%), carbonaten (dolomiet; lichtgroen: ~1,6 vol%), magnetiet (blauw: ~5,3 vol%) en sulfiden (geel: sulfide = ~2,5% vol. essay. b, afbeelding van het contourgebied in teruggekaatste elektronen op a. Bru – onvolwassen; Dole – dolomiet; FeS is ijzersulfide; Mag – magnetiet; sap – speksteen; Srp – serpentijn. c, hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-afbeelding van een typische saponiet-serpentijnvergroeiing met serpentijn- en saponietroosterbanden van respectievelijk 0,7 nm en 1,1 nm.
De samenstelling van de matrix en het gelaagde silicaat (in %) van Ryugu A0037 (dichte rode cirkels) en C0068 (dichte blauwe cirkels) deeltjes wordt weergegeven in het (Si+Al)-Mg-Fe ternaire systeem. a, Resultaten van elektronenmicroanalyse (EPMA) uitgezet tegen CI-chondrieten (Ivuna, Orgueil, Alais)16, weergegeven in grijs ter vergelijking. b, Scanning TEM (STEM) en energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) analyse worden weergegeven ter vergelijking met Orgueil9 en Murchison46 meteorieten en gehydrateerd IDP47. Fijnkorrelige en grofkorrelige phyllosilicaten werden geanalyseerd, waarbij kleine deeltjes ijzersulfide werden vermeden. De stippellijnen in a en b tonen de oploslijnen van saponiet en serpentijn. De ijzerrijke samenstelling in a kan te wijten zijn aan submicron ijzersulfidekorrels in de gelaagde silicaatkorrels, wat niet kan worden uitgesloten door de ruimtelijke resolutie van de EPMA-analyse. Datapunten met een hoger Si-gehalte dan het saponiet in b kunnen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van nanoscopisch amorf siliciumrijk materiaal in de tussenruimten van de phyllosilicaatlaag. Aantal analyses: N=69 voor A0037, N=68 voor EPMA, N=68 voor C0068, N=19 voor A0037 en N=27 voor C0068 voor STEM-EDS. c, isotopenkaart van trioxydeeltje Ryugu C0014-4 vergeleken met chondrietwaarden CI (Orgueil), CY (Y-82162) en literatuurgegevens (CM en C2-ung)41,48,49. We hebben gegevens verkregen voor de meteorieten Orgueil en Y-82162. CCAM is een lijn van watervrije koolstofhoudende chondrietmineralen, TFL is een landscheidingslijn. d-, Δ17O- en δ18O-kaarten van Ryugu-deeltje C0014-4, CI-chondriet (Orgueil) en CY-chondriet (Y-82162) (deze studie). Δ17O_Ryugu: De waarde van Δ17O C0014-1. Δ17O_Orgueil: Gemiddelde Δ17O-waarde voor Orgueil. Δ17O_Y-82162: Gemiddelde Δ17O-waarde voor Y-82162. CI- en CY-gegevens uit de literatuur 41, 48, 49 worden ook ter vergelijking weergegeven.
Massa-isotopenanalyse van zuurstof werd uitgevoerd op een monster van 1,83 mg materiaal, geëxtraheerd uit granulair C0014 door middel van laserfluorering (Methoden). Ter vergelijking werden zeven kopieën van Orgueil (CI) (totale massa = 8,96 mg) en zeven kopieën van Y-82162 (CY) (totale massa = 5,11 mg) gebruikt (Aanvullende tabel 3).
Figuur 2d toont een duidelijke scheiding van Δ17O en δ18O tussen de gewichtsgemiddelde deeltjes van Orgueil en Ryugu vergeleken met Y-82162. De Δ17O van het Ryugu C0014-4-deeltje is hoger dan die van het Orgeil-deeltje, ondanks de overlapping bij 2 sd. Ryugu-deeltjes hebben hogere Δ17O-waarden vergeleken met Orgeil, wat mogelijk de aardvervuiling van laatstgenoemde weerspiegelt sinds zijn val in 1864. Verwering in de aardse omgeving11 resulteert noodzakelijkerwijs in de opname van atmosferische zuurstof, waardoor de algehele analyse dichter bij de aardfractioneringslijn (TFL) komt. Deze conclusie is consistent met de mineralogische gegevens (eerder besproken) dat Ryugu-korrels geen hydraten of sulfaten bevatten, terwijl Orgeil dat wel doet.
Gebaseerd op de bovenstaande mineralogische gegevens ondersteunen deze resultaten een associatie tussen Ryugu-korrels en CI-chondrieten, maar sluiten ze een associatie met CY-chondrieten uit. Het feit dat Ryugu-korrels niet geassocieerd zijn met CY-chondrieten, die duidelijke tekenen van dehydratatiemineralogie vertonen, is raadselachtig. Orbitale waarnemingen van Ryugu lijken erop te wijzen dat het dehydratatie heeft ondergaan en daarom waarschijnlijk uit CY-materiaal bestaat. De redenen voor dit schijnbare verschil blijven onduidelijk. Een zuurstofisotopenanalyse van andere Ryugu-deeltjes wordt gepresenteerd in een begeleidend artikel 12. De resultaten van deze uitgebreide dataset zijn echter ook consistent met de associatie tussen Ryugu-deeltjes en CI-chondrieten.
Met behulp van gecoördineerde microanalysetechnieken (aanvullende figuur 3) onderzochten we de ruimtelijke verdeling van organische koolstof over het gehele oppervlak van de gefocusseerde ionenbundelfractie (FIB) C0068.25 (figuren 3a-f). Fijnstructuur röntgenabsorptiespectra van koolstof (NEXAFS) aan de nabije rand in sectie C0068.25 tonen verschillende functionele groepen – aromatisch of C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH (287,5 eV) en C(=O)O (288,8 eV) – de grafeenstructuur is afwezig bij 291,7 eV (figuur 3a), wat een lage mate van thermische variatie betekent. De sterke CH-piek (287,5 eV) van de partiële organische verbindingen van C0068.25 verschilt van de onoplosbare organische verbindingen van eerder bestudeerde koolstofhoudende chondrieten en lijkt meer op IDP14 en komeetdeeltjes verkregen door de Stardust-missie. Een sterke CH-piek bij 287,5 eV en een zeer zwakke aromatische of C=C-piek bij 285,2 eV duiden erop dat organische verbindingen rijk zijn aan alifatische verbindingen (Fig. 3a en Aanvullende Fig. 3a). Gebieden rijk aan alifatische organische verbindingen zijn gelokaliseerd in grofkorrelige fyllosilicaten, evenals in gebieden met een zwakke aromatische (of C=C) koolstofstructuur (Fig. 3c,d). A0037,22 (Aanvullende Fig. 3) vertoonde daarentegen gedeeltelijk een lager gehalte aan alifatische koolstofrijke gebieden. De onderliggende mineralogie van deze korrels is rijk aan carbonaten, vergelijkbaar met chondriet CI 16, wat wijst op een uitgebreide verandering van het bronwater (aanvullende tabel 1). Oxiderende omstandigheden bevorderen hogere concentraties carbonyl- en carboxylgroepen in organische verbindingen die geassocieerd zijn met carbonaten. De submicronverdeling van organische stoffen met alifatische koolstofstructuren kan sterk verschillen van de verdeling van grofkorrelige gelaagde silicaten. In de meteoriet Tagish Lake werden aanwijzingen gevonden voor alifatische organische verbindingen die geassocieerd zijn met phyllosilicaat-OH. Gecoördineerde microanalytische gegevens suggereren dat organische materie rijk aan alifatische verbindingen wijdverspreid kan zijn in C-type asteroïden en nauw geassocieerd kan zijn met phyllosilicaten. Deze conclusie komt overeen met eerdere rapporten over alifatische/aromatische CH's in Ryugu-deeltjes, aangetoond door MicroOmega, een nabij-infrarood hyperspectraalmicroscoop. Een belangrijke en onopgeloste vraag is of de unieke eigenschappen van alifatische koolstofrijke organische verbindingen geassocieerd met grofkorrelige phyllosilicaten die in deze studie zijn waargenomen, alleen op de asteroïde Ryugu worden aangetroffen.
a, NEXAFS-koolstofspectra genormaliseerd naar 292 eV in het aromatische (C=C) rijke gebied (rood), in het alifatische rijke gebied (groen) en in de matrix (blauw). De grijze lijn is het spectrum van onoplosbare organische stoffen van Murchison 13 ter vergelijking. au, arbitrage-eenheid. b, Scanning Transmission X-ray Microscopy (STXM) spectrale afbeelding van een koolstof-K-rand, waaruit blijkt dat de sectie gedomineerd wordt door koolstof. c, RGB-composietplot met aromatische (C=C) rijke gebieden (rood), alifatische rijke gebieden (groen) en matrix (blauw). d, organische stoffen rijk aan alifatische verbindingen zijn geconcentreerd in grofkorrelig phyllosilicaat; het gebied is vergroot ten opzichte van de wit gestippelde vakken in b en c. e, grote nanosferen (ng-1) in het gebied vergroot ten opzichte van het wit gestippelde vak in b en c. Voor: pyrrhotiet. Pn: nikkelchromiet. f, Nanoscale secundaire ionenmassaspectrometrie (NanoSIMS), elementaire afbeeldingen van waterstof (1H), koolstof (12C) en stikstof (12C14N), afbeeldingen met een 12C/1H-elementverhouding en afbeeldingen met gekruiste δD-, δ13C- en δ15N-isotopen – Sectie PG-1: presolair grafiet met extreme 13C-verrijking (aanvullende tabel 4).
Kinetische studies van de afbraak van organisch materiaal in Murchisonmeteorieten kunnen belangrijke informatie verschaffen over de heterogene verdeling van alifatisch organisch materiaal rijk aan Ryugu-korrels. Deze studie toont aan dat alifatische CH-bindingen in organisch materiaal blijven bestaan ​​tot een maximumtemperatuur van ongeveer 30 °C bij de oorspronkelijke meteoriet en/of veranderen met tijd-temperatuurrelaties (bijv. 200 jaar bij 100 °C en 0 °C gedurende 100 miljoen jaar). Als de precursor niet langer dan een bepaalde tijd op een bepaalde temperatuur wordt verhit, kan de oorspronkelijke verdeling van alifatische organische stoffen rijk aan fyllosilicaten bewaard blijven. Veranderingen in het watergehalte van het brongesteente kunnen deze interpretatie echter compliceren, aangezien carbonaatrijk gesteente A0037 geen koolstofrijke alifatische gebieden vertoont die geassocieerd zijn met fyllosilicaten. Deze lage temperatuurverandering komt ruwweg overeen met de aanwezigheid van kubische veldspaat in Ryugu-korrels (aanvullende tabel 1) 20.
Fractie C0068.25 (ng-1; Fig. 3a–c,e) bevat een grote nanosfeer met sterk aromatische (of C=C), matig alifatische en zwakke spectra van C(=O)O en C=O. De signatuur van alifatisch koolstof komt niet overeen met de signatuur van onoplosbare organische stoffen in bulk en organische nanosferen geassocieerd met chondrieten (Fig. 3a) 17,21. Raman- en infraroodspectroscopische analyse van nanosferen in Lake Tagish toonde aan dat ze bestaan ​​uit alifatische en geoxideerde organische verbindingen en ongeordende polycyclische aromatische organische verbindingen met een complexe structuur22,23. Omdat de omringende matrix organische stoffen bevat die rijk zijn aan alifatische verbindingen, kan de signatuur van alifatisch koolstof in ng-1 een analytisch artefact zijn. Interessant is dat ng-1 ingebedde amorfe silicaten bevat (Fig. 3e), een textuur die nog niet is gerapporteerd voor buitenaardse organische stoffen. Amorfe silicaten kunnen natuurlijke bestanddelen van ng-1 zijn of het resultaat zijn van amorfisering van waterige/watervrije silicaten door een ionen- en/of elektronenbundel tijdens de analyse.
NanoSIMS-ionenbeelden van de C0068.25-sectie (Fig. 3f) tonen uniforme veranderingen in δ13C en δ15N, met uitzondering van presolaire korrels met een grote 13C-verrijking van 30.811‰ (PG-1 in de δ13C-afbeelding in Fig. 3f) (Aanvullende tabel 4). Röntgenbeelden van elementaire korrels en hoge-resolutie TEM-beelden tonen alleen de koolstofconcentratie en de afstand tussen de basale vlakken van 0,3 nm, wat overeenkomt met grafiet. Het is opmerkelijk dat de waarden van δD (841 ± 394‰) en δ15N (169 ± 95‰), verrijkt met alifatisch organisch materiaal geassocieerd met grofkorrelige phyllosilicaten, iets hoger blijken te zijn dan het gemiddelde voor de gehele regio C (δD = 528 ± 139‰). ‰, δ15N = 67 ± 15 ‰) in C0068.25 (Aanvullende tabel 4). Deze observatie suggereert dat de alifatisch rijke organische stoffen in grofkorrelige phyllosilicaten mogelijk primitiever zijn dan de omringende organische stoffen, aangezien deze laatste mogelijk isotopenuitwisseling hebben ondergaan met het omringende water in het oorspronkelijke lichaam. Deze isotopenveranderingen kunnen echter ook verband houden met het oorspronkelijke vormingsproces. Er wordt aangenomen dat fijnkorrelige gelaagde silicaten in CI-chondrieten zijn gevormd als gevolg van voortdurende veranderingen in de oorspronkelijke grofkorrelige watervrije silicaatclusters. Alifatisch rijke organische materie kan zijn gevormd uit voorlopermoleculen in de protoplanetaire schijf of het interstellaire medium vóór de vorming van het zonnestelsel, en vervolgens licht zijn veranderd tijdens de waterveranderingen van het (grote) moederlichaam Ryugu. De omvang (<1,0 km) van Ryugu is te klein om de interne warmte voldoende vast te houden voor de omzetting van waterige mineralen in waterhoudende mineralen25. De omvang (<1,0 km) van Ryugu is te klein om voldoende interne warmte te behouden voor de vorming van waterige mineralen uit water25. Размер (<1,0 км) een goede oplossing voor het probleem mineur25. Grootte (<1,0 km) Ryugu is te klein om voldoende interne warmte vast te houden voor waterverandering om watermineralen te vormen25. 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。 Meer informatie (<1,0 км) via de минералов25. Ryugu is met zijn oppervlakte (<1,0 km) te klein om de interne warmte te ondersteunen die nodig is om water om te zetten in watermineralen25.Daarom kunnen Ryugu-voorgangers van tientallen kilometers groot zijn. Organisch materiaal rijk aan alifatische verbindingen kan hun oorspronkelijke isotopenverhoudingen behouden door de associatie met grofkorrelige phyllosilicaten. De exacte aard van de isotopische zware dragers blijft echter onzeker vanwege de complexe en delicate menging van de verschillende componenten in deze FIB-fracties. Dit kunnen organische stoffen zijn die rijk zijn aan alifatische verbindingen in Ryugu-granulaten of in de grove phyllosilicaten eromheen. Merk op dat organisch materiaal in bijna alle koolstofhoudende chondrieten (inclusief CI-chondrieten) over het algemeen rijker is aan D dan in phyllosilicaten, met uitzondering van CM Paris 24, 26 meteorieten.
Grafieken van volume δD en δ15N van FIB-plakken verkregen voor A0002.23 en A0002.26, A0037.22 en A0037.23 en C0068.23, C0068.25 en C0068.26 FIB-plakken (in totaal zeven FIB-plakken van drie Ryugu-deeltjes). Een vergelijking van NanoSIMS met andere objecten in het zonnestelsel wordt getoond in figuur 4 (Aanvullende tabel 4)27,28. Volumeveranderingen in δD en δ15N in de profielen A0002, A0037 en C0068 komen overeen met die in de IDP, maar zijn hoger dan in de CM- en CI-chondrieten (figuur 4). Merk op dat het bereik van de δD-waarden voor het monster Komeet 29 (-240 tot 1655‰) groter is dan dat van Ryugu. De volumes δD en δ15N van de Ryukyu-profielen zijn in de regel kleiner dan het gemiddelde voor kometen van de Jupiter-familie en de Oortwolk (Fig. 4). De lagere δD-waarden van de CI-chondrieten kunnen de invloed van aardse verontreiniging in deze monsters weerspiegelen. Gezien de overeenkomsten tussen Bells, Lake Tagish en IDP, kan de grote heterogeniteit in δD- en δN-waarden in Ryugu-deeltjes veranderingen in de initiële isotopische signaturen van organische en waterige samenstellingen in het vroege zonnestelsel weerspiegelen. De vergelijkbare isotopische veranderingen in δD en δN in Ryugu- en IDP-deeltjes suggereren dat beide gevormd kunnen zijn uit materiaal van dezelfde bron. Er wordt aangenomen dat IDP's afkomstig zijn van komeetbronnen 14 . Daarom kan Ryugu komeetachtig materiaal en/of op zijn minst het buitenste zonnestelsel bevatten. Dit kan echter moeilijker zijn dan we hier stellen vanwege (1) de mix van sferulitisch en D-rijk water op het moederlichaam 31 en (2) de D/H-verhouding van de komeet als een functie van komeetactiviteit 32 . De redenen voor de waargenomen heterogeniteit van waterstof- en stikstofisotopen in Ryugu-deeltjes worden echter niet volledig begrepen, deels vanwege het beperkte aantal analyses dat vandaag de dag beschikbaar is. De resultaten van waterstof- en stikstofisotopensystemen suggereren nog steeds de mogelijkheid dat Ryugu het meeste materiaal van buiten het zonnestelsel bevat en dus enige gelijkenis met kometen kan vertonen. Het Ryugu-profiel toonde geen duidelijke correlatie tussen δ13C en δ15N (Aanvullende tabel 4).
De totale H- en N-isotopensamenstelling van Ryugu-deeltjes (rode cirkels: A0002, A0037; blauwe cirkels: C0068) correleert met zonnemagnitude 27, de Jupiter-gemiddelde familie (JFC27) en kometen uit de Oortwolk (OCC27), IDP28 en koolstofhoudende chondrules. Vergelijking van meteoriet 27 (CI, CM, CR, C2-ung). De isotopensamenstelling is weergegeven in aanvullende tabel 4. De stippellijnen geven de aardse isotopenwaarden voor H en N aan.
Het transport van vluchtige stoffen (zoals organische stof en water) naar de aarde blijft een punt van zorg26,27,33. Submicron organische stof geassocieerd met grove phyllosilicaten in Ryugu-deeltjes, zoals in deze studie geïdentificeerd, kan een belangrijke bron van vluchtige stoffen zijn. Organische stof in grofkorrelige phyllosilicaten is beter beschermd tegen afbraak16,34 en verval35 dan organische stof in fijnkorrelige matrices. De zwaardere isotopensamenstelling van waterstof in de deeltjes betekent dat het onwaarschijnlijk is dat zij de enige bron zijn van vluchtige stoffen die naar de vroege aarde zijn getransporteerd. Ze kunnen gemengd zijn met componenten met een lichtere waterstofisotopensamenstelling, zoals recent werd voorgesteld in de hypothese van de aanwezigheid van door de zonnewind aangedreven water in silicaten.
In deze studie tonen we aan dat CI-meteorieten, ondanks hun geochemische belang als representanten van de algehele samenstelling van het zonnestelsel,6,10 aards verontreinigde monsters zijn. We leveren ook direct bewijs voor interacties tussen rijke alifatische organische materie en naburige waterhoudende mineralen en suggereren dat Ryugu mogelijk extrasolair materiaal bevat37. De resultaten van deze studie tonen duidelijk het belang aan van directe bemonstering van protoasteroïden en de noodzaak om teruggebrachte monsters onder volledig inerte en steriele omstandigheden te transporteren. Het hier gepresenteerde bewijs toont aan dat Ryugu-deeltjes ongetwijfeld een van de meest onbesmette materialen in het zonnestelsel zijn die beschikbaar zijn voor laboratoriumonderzoek, en verder onderzoek van deze kostbare monsters zal ongetwijfeld ons begrip van de vroege processen in het zonnestelsel vergroten. Ryugu-deeltjes zijn de beste representatie van de algehele samenstelling van het zonnestelsel.
Om de complexe microstructuur en chemische eigenschappen van monsters op submicronschaal te bepalen, gebruikten we synchrotronstraling-gebaseerde computertomografie (SR-XCT) en SR-röntgendiffractie (XRD)-CT, FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM-analyse. Er was geen degradatie, vervuiling door de aardatmosfeer en geen schade door fijnstof of mechanische monsters. In de tussentijd hebben we systematische volumetrische analyses uitgevoerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM)-EDS, EPMA, XRD, instrumentele neutronenactiveringsanalyse (INAA) en laserapparatuur voor zuurstofisotopenfluorering. De testprocedures worden weergegeven in aanvullende figuur 3 en elke test wordt in de volgende paragrafen beschreven.
Deeltjes van de asteroïde Ryugu werden geborgen uit de Hayabusa-2 reentry module en afgeleverd bij het JAXA Control Center in Sagamihara, Japan, zonder de atmosfeer van de aarde te verontreinigen. Na de initiële en niet-destructieve karakterisering in een door JAXA beheerde faciliteit, worden afsluitbare intersite transfercontainers en monstercapsulezakken (10 of 15 mm diameter saffierkristal en roestvrij staal, afhankelijk van de monstergrootte) gebruikt om omgevingsinvloeden te voorkomen. y en/of bodemverontreinigingen (bijv. waterdamp, koolwaterstoffen, atmosferische gassen en fijnstof) en kruisbesmetting tussen monsters tijdens de monsterbereiding en het transport tussen instituten en universiteiten. Om degradatie en vervuiling door interactie met de aardatmosfeer (waterdamp en zuurstof) te voorkomen, werden alle soorten monstervoorbereiding (inclusief beitelen met een tantaalbeitel, het gebruik van een gebalanceerde diamantdraadzaag (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) en het zagen van epoxy) ter voorbereiding op de installatie uitgevoerd in een handschoenkast onder schone, droge stikstof (dauwpunt: -80 tot -60 °C, O2 ~50-100 ppm). Alle hier gebruikte items werden gereinigd met een combinatie van ultrapuur water en ethanol met behulp van ultrasone golven van verschillende frequenties.
Hier bestuderen we de meteorietencollectie van het National Polar Research Institute (NIPR) van het Antarctic Meteorite Research Center (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 en CY: Y 980115).
Voor de overdracht tussen instrumenten voor SR-XCT, NanoSIMS, STXM-NEXAFS en TEM-analyse gebruikten we de universele ultradunne monsterhouder die in eerdere studies werd beschreven38.
SR-XCT-analyse van Ryugu-monsters werd uitgevoerd met behulp van het geïntegreerde BL20XU/SPring-8 CT-systeem. Het geïntegreerde CT-systeem bestaat uit verschillende meetmodi: een breed gezichtsveld en een lage resolutie (WL) om de volledige structuur van het monster vast te leggen, een smal gezichtsveld en een hoge resolutie (NH) voor nauwkeurige meting van het monsteroppervlak. Het systeem maakt gebruik van röntgenfoto's om een ​​diffractiepatroon van het volume van het monster te verkrijgen en voert XRD-CT uit om een ​​2D-diagram van de horizontale minerale fasen in het monster te verkrijgen. Alle metingen kunnen worden uitgevoerd zonder het ingebouwde systeem te gebruiken om de monsterhouder van de basis te verwijderen, wat nauwkeurige CT- en XRD-CT-metingen mogelijk maakt. De WL-modus röntgendetector (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) was uitgerust met een extra 4608 × 4608 pixel metaaloxide-halfgeleider (CMOS) camera (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) met een scintillator bestaande uit 10 lutetium-aluminium-granaat monokristallijne kristallen met een dikte van µm (Lu3Al5O12:Ce) en een relaislens. De pixelgrootte in de WL-modus is ongeveer 0,848 µm. Het gezichtsveld (FOV) in de WL-modus is dus ongeveer 6 mm in de offset CT-modus. De NH-mode röntgendetector (BM AA50; Hamamatsu Photonics) was uitgerust met een 20 µm dikke gadolinium-aluminium-galliumgranaat (Gd3Al2Ga3O12) scintillator, een CMOS-camera (C11440-22CU) met een resolutie van 2048 × 2048 pixels; Hamamatsu Photonics) en een ×20 lens. De pixelgrootte in de NH-mode is ~0,25 µm en het gezichtsveld is ~0,5 mm. De detector voor de XRD-mode (BM AA60; Hamamatsu Photonics) was uitgerust met een scintillator bestaande uit een 50 µm dik P43 (Gd2O2S:Tb) poederscherm, een CMOS-camera met een resolutie van 2304 × 2304 pixels (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) en een relaislens. De detector heeft een effectieve pixelgrootte van 19,05 µm en een gezichtsveld van 43,9 mm². Om het gezichtsveld te vergroten, hebben we een offset-CT-procedure in WL-modus toegepast. Het doorgelaten lichtbeeld voor CT-reconstructie bestaat uit een beeld in het bereik van 180° tot 360°, horizontaal gereflecteerd rond de rotatieas, en een beeld in het bereik van 0° tot 180°.
In de XRD-modus wordt de röntgenbundel gefocusseerd door een Fresnel-zoneplaat. In deze modus wordt de detector 110 mm achter het monster geplaatst en bevindt de bundelstop zich 3 mm vóór de detector. Diffractiebeelden in het 2θ-bereik van 1,43° tot 18,00° (roosterafstand d = 16,6–1,32 Å) werden verkregen met de röntgenspot gefocusseerd op de onderkant van het gezichtsveld van de detector. Het monster beweegt verticaal met regelmatige tussenpozen, met een halve draai voor elke verticale scanstap. Als de mineraaldeeltjes voldoen aan de Bragg-voorwaarde wanneer ze 180° worden gedraaid, is het mogelijk om diffractie van de mineraaldeeltjes in het horizontale vlak te verkrijgen. De diffractiebeelden werden vervolgens gecombineerd tot één beeld voor elke verticale scanstap. De SR-XRD-CT-testomstandigheden zijn vrijwel hetzelfde als die voor de SR-XRD-test. In de XRD-CT-modus wordt de detector 69 mm achter het monster geplaatst. Diffractiebeelden in het 2θ-bereik variëren van 1,2° tot 17,68° (d = 19,73 tot 1,35 Å), waarbij zowel de röntgenbundel als de bundelbegrenzer in lijn liggen met het midden van het gezichtsveld van de detector. Scan het monster horizontaal en roteer het 180°. De SR-XRD-CT-beelden werden gereconstrueerd met de piekintensiteiten van het mineraal als pixelwaarden. Bij horizontaal scannen wordt het monster doorgaans in 500-1000 stappen gescand.
Voor alle experimenten werd de röntgenenergie vastgesteld op 30 keV, aangezien dit de ondergrens is voor röntgenpenetratie in meteorieten met een diameter van ongeveer 6 mm. Het aantal verkregen beelden voor alle CT-metingen tijdens 180° rotatie was 1800 (3600 voor het offset CT-programma) en de belichtingstijd voor de beelden was 100 ms voor de WL-modus, 300 ms voor de NH-modus, 500 ms voor XRD en 50 ms. ms voor XRD-CT. De typische scantijd voor een sample is ongeveer 10 minuten in de WL-modus, 15 minuten in de NH-modus, 3 uur voor XRD en 8 uur voor SR-XRD-CT.
CT-beelden werden gereconstrueerd door middel van convolutionele backprojectie en genormaliseerd voor een lineaire verzwakkingscoëfficiënt van 0 tot 80 cm-1. De Slice-software werd gebruikt om de 3D-data te analyseren en de muXRD-software om de XRD-data te analyseren.
Epoxy-gefixeerde Ryugu-deeltjes (A0029, A0037, C0009, C0014 en C0068) werden geleidelijk gepolijst op het oppervlak tot het niveau van een 0,5 µm (3M) diamant-laplaag onder droge omstandigheden, waarbij contact van het materiaal met het oppervlak tijdens het polijstproces werd vermeden. Het gepolijste oppervlak van elk monster werd eerst onderzocht met behulp van lichtmicroscopie en vervolgens teruggekaatste elektronen om mineralogie- en textuurbeelden (BSE) van de monsters en kwalitatieve NIPR-elementen te verkrijgen met behulp van een JEOL JSM-7100F SEM, uitgerust met een energiedispersieve spectrometer (AZtec). energie-opname. Voor elk monster werd het gehalte aan primaire en secundaire elementen geanalyseerd met behulp van een elektronensonde-microanalysator (EPMA, JEOL JXA-8200). Analyseer fyllosilicaat- en carbonaatdeeltjes bij 5 nA, natuurlijke en synthetische standaarden bij 15 keV, sulfiden, magnetiet, olivijn en pyroxeen bij 30 nA. Modale gehalten werden berekend op basis van elementenkaarten en BSE-beelden met behulp van ImageJ 1.53-software, waarbij voor elk mineraal willekeurig drempelwaarden werden ingesteld.
Zuurstofisotopenanalyse werd uitgevoerd aan de Open Universiteit (Milton Keynes, VK) met behulp van een infraroodlaserfluoreringssysteem. Hayabusa2-monsters werden in met stikstof gevulde containers naar de Open Universiteit 38 gebracht voor overdracht tussen faciliteiten.
Het laden van de monsters vond plaats in een stikstofhandschoenenkast met een gecontroleerd zuurstofgehalte van minder dan 0,1%. Voor de analyse van Hayabusa2 werd een nieuwe Ni-monsterhouder vervaardigd, bestaande uit slechts twee monstergaten (diameter 2,5 mm, diepte 5 mm), één voor Hayabusa2-deeltjes en de andere voor de interne obsidiaanstandaard. Tijdens de analyse werd de monsterholte met het Hayabusa2-materiaal afgedekt met een intern BaF2-venster van ongeveer 1 mm dik en 3 mm in diameter om het monster tijdens de laserreactie vast te houden. De BrF5-stroom naar het monster werd in stand gehouden door een gasmengkanaal dat in de Ni-monsterhouder was gesneden. De monsterkamer werd ook opnieuw geconfigureerd, zodat deze uit de vacuümfluoreringsleiding kon worden verwijderd en vervolgens kon worden geopend in een met stikstof gevulde handschoenenkast. De tweedelige kamer werd afgesloten met een koperen pakking en een EVAC Quick Release CeFIX 38 kettingklem. Een 3 mm dik BaF2-venster aan de bovenkant van de kamer maakt gelijktijdige observatie van het monster en de laserverhitting mogelijk. Na het laden van het monster, klemt u de kamer weer vast en sluit u deze opnieuw aan op de fluorleiding. Voorafgaand aan de analyse werd de monsterkamer een nacht onder vacuüm verwarmd tot ongeveer 95 °C om eventueel geadsorbeerd vocht te verwijderen. Na een nacht verwarmen liet men de kamer afkoelen tot kamertemperatuur, waarna het gedeelte dat tijdens de monsteroverdracht aan de atmosfeer was blootgesteld, werd gespoeld met drie porties BrF5 om het vocht te verwijderen. Deze procedures garanderen dat het Hayabusa 2-monster niet aan de atmosfeer wordt blootgesteld en niet wordt verontreinigd met vocht uit het gedeelte van de fluorleiding dat tijdens het laden van het monster naar de atmosfeer wordt afgevoerd.
Ryugu C0014-4 en Orgueil (CI) deeltjesmonsters werden geanalyseerd in een aangepaste "single" modus42, terwijl Y-82162 (CY) analyse werd uitgevoerd op een enkele tray met meerdere monsterputjes41. Vanwege hun watervrije samenstelling is het niet nodig om één enkele methode te gebruiken voor CY-chondrieten. De monsters werden verwarmd met een infrarood CO2-laser van Photon Machines Inc. met een vermogen van 50 W (10,6 µm), gemonteerd op het XYZ-platform in aanwezigheid van BrF5. Het ingebouwde videosysteem bewaakt het verloop van de reactie. Na fluorering werd de vrijgekomen O2 gewassen met behulp van twee cryogene stikstofvallen en een verwarmd KBr-bed om overtollig fluor te verwijderen. De isotopensamenstelling van gezuiverde zuurstof werd geanalyseerd op een Thermo Fisher MAT 253 tweekanaals massaspectrometer met een massaresolutie van ongeveer 200.
In sommige gevallen was de hoeveelheid gasvormig O₂ die vrijkwam tijdens de reactie van het monster minder dan 140 µg, wat de geschatte limiet is voor het gebruik van de balg van de MAT 253-massaspectrometer. Gebruik in deze gevallen microvolumes voor analyse. Na analyse van de Hayabusa2-deeltjes werd de interne obsidiaanstandaard gefluoreerd en werd de zuurstofisotopensamenstelling bepaald.
Ionen van het NF+ NF3+ fragment interfereren met de bundel met massa 33 (16O17O). Om dit potentiële probleem te voorkomen, worden de meeste monsters verwerkt met behulp van cryogene scheidingsprocedures. Dit kan in voorwaartse richting gebeuren vóór de MAT 253-analyse of als tweede analyse door het geanalyseerde gas terug te voeren naar de speciale moleculaire zeef en het na de cryogene scheiding opnieuw te laten passeren. Cryogene scheiding houdt in dat gas bij vloeibare stikstoftemperatuur aan een moleculaire zeef wordt toegevoerd en vervolgens wordt afgevoerd naar een primaire moleculaire zeef bij een temperatuur van -130 °C. Uitgebreide tests hebben aangetoond dat NF+ op de eerste moleculaire zeef achterblijft en dat er met deze methode geen significante fractionering plaatsvindt.
Gebaseerd op herhaalde analyses van onze interne obsidiaanstandaarden is de algehele nauwkeurigheid van het systeem in balgmodus: ±0,053‰ voor δ17O, ±0,095‰ voor δ18O, ±0,018‰ voor Δ17O (2 sd). Zuurstofisotopenanalyse wordt gegeven in de standaard delta-notatie, waarbij delta18O als volgt wordt berekend:
Gebruik ook de 17O/16O-verhouding voor δ17O. VSMOW is de internationale standaard voor de Vienna Mean Sea Water Standard. Δ17O vertegenwoordigt de afwijking van de aardfractioneringslijn en de berekeningsformule is: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Alle gegevens in aanvullende tabel 3 zijn gecorrigeerd voor de gap.
Secties van ongeveer 150 tot 200 nm dik werden geëxtraheerd uit Ryugu-deeltjes met behulp van een Hitachi High Tech SMI4050 FIB-instrument bij JAMSTEC, Kochi Core Sampling Institute. Merk op dat alle FIB-secties werden gewonnen uit onbewerkte fragmenten van onbewerkte deeltjes nadat ze uit met N₂-gas gevulde vaten waren verwijderd voor interobjectoverdracht. Deze fragmenten werden niet gemeten met SR-CT, maar werden verwerkt met minimale blootstelling aan de aardatmosfeer om mogelijke schade en verontreiniging te voorkomen die het koolstof-K-randspectrum zouden kunnen beïnvloeden. Na afzetting van een wolfraambeschermlaag werd het interessegebied (tot 25 × 25 μm²) gesneden en verdund met een Ga+-ionenbundel bij een versnellingsspanning van 30 kV, vervolgens bij 5 kV en een meetstroom van 40 pA om oppervlakteschade te minimaliseren. De ultradunne secties werden vervolgens op een vergroot koperen gaas (Kochi-gaas) 39 geplaatst met behulp van een micromanipulator uitgerust met FIB.
Ryugu A0098 (1,6303 mg) en C0068 (0,6483 mg) pellets werden tweemaal verzegeld in vellen zuiver, hoogzuiver polyethyleen in een met zuiver stikstof gevuld handschoenkastje op de SPring-8, zonder enige interactie met de atmosfeer van de aarde. De monsterbereiding voor JB-1 (een geologisch referentiegesteente uitgegeven door de Geological Survey of Japan) werd uitgevoerd aan de Tokyo Metropolitan University.
INAA wordt gehouden bij het Institute for Integrated Radiation and Nuclear Sciences van de Universiteit van Kyoto. De monsters werden tweemaal bestraald met verschillende bestralingscycli, gekozen op basis van de halfwaardetijd van het nuclide dat gebruikt werd voor elementkwantificering. Eerst werd het monster 30 seconden bestraald in een pneumatische bestralingsbuis. De fluxen van thermische en snelle neutronen in figuur 3 bedragen respectievelijk 4,6 × 1012 en 9,6 × 1011 cm-2 s-1, voor het bepalen van de gehaltes aan Mg, Al, Ca, Ti, V en Mn. Chemicaliën zoals MgO (99,99% zuiverheid, Soekawa Chemical), Al (99,9% zuiverheid, Soekawa Chemical) en Si-metaal (99,999% zuiverheid, FUJIFILM Wako Pure Chemical) werden ook bestraald om te corrigeren voor interfererende kernreacties zoals (n, n). Het monster werd ook bestraald met natriumchloride (99,99% zuiverheid; MANAC) om veranderingen in de neutronenstroom te corrigeren.
Na neutronenbestraling werd het buitenste polyethyleenvel vervangen door een nieuw vel en werd de door het monster en de referentie uitgezonden gammastraling onmiddellijk gemeten met een Ge-detector. Dezelfde monsters werden opnieuw bestraald gedurende 4 uur in een pneumatische bestralingsbuis. 2 heeft thermische en snelle neutronenfluxen van respectievelijk 5,6 · 1012 en 1,2 · 1012 cm-2 s-1, voor het bepalen van Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Sb, Os, Ir en Au-gehalte. Controlemonsters van Ga, As, Se, Sb, Os, Ir en Au werden bestraald door geschikte hoeveelheden (van 10 tot 50 μg) standaardoplossingen met bekende concentraties van deze elementen op twee stukjes filterpapier aan te brengen, gevolgd door bestraling van de monsters. De gammastralingtelling werd uitgevoerd in het Institute of Integrated Radiation and Nuclear Sciences, Universiteit van Kyoto en het RI Research Center, Tokyo Metropolitan University. De analytische procedures en referentiematerialen voor de kwantitatieve bepaling van INAA-elementen zijn dezelfde als beschreven in ons eerdere werk.
Een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab) werd gebruikt om de diffractiepatronen van de Ryugu-monsters A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) en C0087 (<1 mg) bij NIPR te verzamelen. Een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab) werd gebruikt om de diffractiepatronen van de Ryugu-monsters A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) en C0087 (<1 mg) bij NIPR te verzamelen. Rigaku SmartLab-apparaat voor het gebruik van Ryugu-producten A0029 (<1 мг), A0037 (≪1 мг) en C0087 (<1 мг) in NIPR. Een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab) werd gebruikt om diffractiepatronen van Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) en C0087 (<1 mg) monsters in NIPR te verzamelen.使用X 射线衍射仪(Rigaku SmartLab) 在NIPR 收集Ryugu 样品A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) 和C0087 (<1 mg) 的衍射图案。使用X 射线衍射仪(Rigaku SmartLab) 在NIPR 收集Ryugu 样品A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) 和C0087 (<1 mg) 的衍射图案。 Дифрактограммы образцов Ryugu A0029 (<1 мг), A0037 (<1 мг) en C0087 (<1 мг) были получены in NIPR с использованием рентгеновского дифрактометра (Rigaku SmartLab). Röntgendiffractiepatronen van de monsters Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) en C0087 (<1 mg) werden verkregen bij NIPR met behulp van een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab).Alle monsters werden tot een fijn poeder vermalen op een niet-reflecterende siliciumwafer met behulp van een saffierglasplaat en vervolgens gelijkmatig verspreid over de niet-reflecterende siliciumwafer zonder vloeistof (water of alcohol). De meetomstandigheden zijn als volgt: Cu Kα-röntgenstraling wordt gegenereerd bij een buisspanning van 40 kV en een buisstroom van 40 mA, de maximale spleetlengte is 10 mm, de divergentiehoek is (1/6)°, de rotatiesnelheid in het vlak is 20 rpm en het bereik is 2θ (dubbele Bragg-hoek) van 3-100°. Analyse duurt ongeveer 28 uur. Er werd gebruikgemaakt van Bragg-Brentano-optica. De detector is een eendimensionale siliciumhalfgeleiderdetector (D/teX Ultra 250). Röntgenstraling van Cu Kβ werd verwijderd met een Ni-filter. Met behulp van beschikbare monsters werden metingen van synthetisch magnesia saponiet (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd.), serpentijn (bladserpentijn, Miyazu, Nikka) en pyrrhotiet (monoklien 4C, Chihua, Mexico Watts) vergeleken om pieken te identificeren en diffractiegegevens van poederbestanden van het International Center for Diffraction Data, dolomiet (PDF 01-071-1662) en magnetiet (PDF 00-019-0629) te gebruiken. Diffractiegegevens van Ryugu werden ook vergeleken met gegevens van gehydroaltereerde koolstofchondrieten, Orgueil CI, Y-791198 CM2.4 en Y 980115 CY (verwarmingsfase III, 500-750 °C). De vergelijking toonde overeenkomsten met Orgueil, maar niet met Y-791198 en Y 980115.
NEXAFS-spectra met koolstofrand K van ultradunne coupes van FIB-monsters werden gemeten met behulp van het STXM BL4U-kanaal in de UVSOR-synchrotronfaciliteit van het Institute of Molecular Sciences (Okazaki, Japan). De spotgrootte van een bundel die optisch is gefocusseerd met een Fresnel-zoneplaat is ongeveer 50 nm. De energiestap is 0,1 eV voor de fijnstructuur van het nabije randgebied (283,6-292,0 eV) en 0,5 eV (280,0-283,5 eV en 292,5-300,0 eV) voor de voor- en achterkant van het gebied. De tijd per pixel werd ingesteld op 2 ms. Na evacuatie werd de STXM-analysekamer gevuld met helium onder een druk van ongeveer 20 mbar. Dit helpt thermische drift van de röntgenoptica in de kamer en de monsterhouder te minimaliseren en monsterschade en/of -oxidatie te verminderen. NEXAFS K-edge koolstofspectra werden gegenereerd uit gestapelde data met behulp van aXis2000-software en gepatenteerde STXM-dataverwerkingssoftware. Let op: de monsteroverdrachtskast en het handschoenkastje worden gebruikt om oxidatie en contaminatie van het monster te voorkomen.
Na de STXM-NEXAFS-analyse werd de isotopensamenstelling van waterstof, koolstof en stikstof van Ryugu FIB-plakken geanalyseerd met behulp van isotopenbeeldvorming met een JAMSTEC NanoSIMS 50L. Een gefocusseerde Cs+ primaire bundel van ongeveer 2 pA voor koolstof- en stikstofisotopenanalyse en ongeveer 13 pA voor waterstofisotopenanalyse werd gerasterd over een gebied van ongeveer 24 × 24 µm² tot 30 × 30 µm² op het monster. Na een voorspray van 3 minuten met een relatief sterke primaire bundelstroom werd elke analyse gestart na stabilisatie van de secundaire bundelintensiteit. Voor de analyse van koolstof- en stikstofisotopen werden gelijktijdig afbeeldingen van 12C–, 13C–, 16O–, 12C14N– en 12C15N– gemaakt met behulp van multiplexdetectie met zeven elektronenmultiplicatoren met een massaresolutie van circa 9000. Dit is voldoende om alle relevante isotopische verbindingen te scheiden. interferentie (d.w.z. 12C1H op 13C en 13C14N op 12C15N). Voor de analyse van waterstofisotopen werden 1H-, 2D- en 12C-afbeeldingen gemaakt met een massaresolutie van circa 3000. Deze afbeeldingen werden gedetecteerd met behulp van drie elektronenmultiplicatoren. Elke analyse bestaat uit 30 gescande afbeeldingen van hetzelfde gebied, waarbij één afbeelding 256 × 256 pixels beslaat voor de analyse van koolstof- en stikstofisotopen en 128 × 128 pixels voor de analyse van waterstofisotopen. De vertraging bedraagt ​​3000 µs per pixel voor koolstof- en stikstofisotopenanalyse en 5000 µs per pixel voor waterstofisotopenanalyse. We hebben 1-hydroxybenzotriazoolhydraat gebruikt als waterstof-, koolstof- en stikstofisotopenstandaard om instrumentele massafractionering te kalibreren45.
Om de siliciumisotopensamenstelling van presolair grafiet in het FIB C0068-25-profiel te bepalen, gebruikten we zes elektronenvermenigvuldigers met een massaresolutie van ongeveer 9000. De beelden bestaan ​​uit 256 × 256 pixels met een vertraging van 3000 µs per pixel. We kalibreerden een massafractioneringsinstrument met siliciumwafers als waterstof-, koolstof- en siliciumisotopenstandaarden.
Isotopenbeelden werden verwerkt met behulp van NASA's NanoSIMS45-beeldvormingssoftware. De gegevens werden gecorrigeerd voor elektronenvermenigvuldigingsdode tijd (44 ns) en quasi-simultane aankomsteffecten. Elke afbeelding kreeg een andere scanuitlijning om beelddrift tijdens de acquisitie te corrigeren. Het uiteindelijke isotopenbeeld wordt gemaakt door secundaire ionen uit elke afbeelding toe te voegen voor elke scanpixel.
Na STXM-NEXAFS- en NanoSIMS-analyse werden dezelfde FIB-secties onderzocht met een transmissie-elektronenmicroscoop (JEOL JEM-ARM200F) bij een versnellingsspanning van 200 kV in Kochi, JAMSTEC. De microstructuur werd waargenomen met een helderveld-TEM en een hoge-hoek-scan-TEM in een donkerveld. De minerale fasen werden geïdentificeerd door middel van spot-elektronendiffractie en roosterbandbeeldvorming, en de chemische analyse werd uitgevoerd met behulp van EDS met een 100 mm2 siliciumdriftdetector en JEOL Analysis Station 4.30-software. Voor kwantitatieve analyse werd de karakteristieke röntgenintensiteit van elk element gemeten in de TEM-scanmodus met een vaste data-acquisitietijd van 30 s, een bundelscangebied van ~100 × 100 nm2 en een bundelstroom van 50 pA. De verhouding (Si + Al)-Mg-Fe in gelaagde silicaten werd bepaald met behulp van de experimentele coëfficiënt k, gecorrigeerd voor dikte, verkregen uit een standaard van natuurlijk pyropagranaat.
Alle afbeeldingen en analyses die in deze studie zijn gebruikt, zijn beschikbaar via het JAXA Data Archiving and Communication System (DARTS): https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2. Dit artikel bevat de originele gegevens.
Kitari, K. et al. Oppervlaktesamenstelling van asteroïde 162173 Ryugu zoals waargenomen door het Hayabusa2 NIRS3-instrument. Science 364, 272–275.
Kim, AJ Yamato-type koolstofhoudende chondrieten (CY): analogen van het oppervlak van de Ryugu-asteroïde? Geochemistry 79, 125531 (2019).
Pilorjet, S. et al. De eerste compositieanalyse van Ryugu-monsters werd uitgevoerd met behulp van een MicroOmega-hyperspectrale microscoop. National Astron. 6, 221–225 (2021).
Yada, T. et al. Voorlopige analyse van het Hyabusa2-monster, teruggebracht van de C-type asteroïde Ryugu. National Astron. 6, 214–220 (2021).