Хвала вам што сте посетили Nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказиваћемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Испарљиви и богати органском материјом, астероиди типа C могу бити један од главних извора воде на Земљи. Тренутно, хондрити који садрже угљеник дају најбољу представу о њиховом хемијском саставу, али информације о метеоритима су искривљене: само најиздржљивији типови преживљавају улазак у атмосферу, а затим интеракцију са Земљином околином. Овде представљамо резултате детаљне волуметријске и микроаналитичке студије примарне честице Рјугу коју је на Земљу допремила летелица Хајабуса-2. Честице Рјугуа показују блиску подударност по саставу са хемијски нефракционисаним, али водом измењеним хондритима CI (тип Ивуна), који се широко користе као индикатор укупног састава Сунчевог система. Овај узорак показује сложен просторни однос између богатих алифатичних органских материја и слојевитих силиката и указује на максималну температуру од око 30 °C током ерозије водом. Пронашли смо обиље деутеријума и диазонијума, што је у складу са екстрасоларним пореклом. Честице Рјугуа су најнеконтаминиранији и најнераздвојнији ванземаљски материјал икада проучаван и најбоље се уклапају у укупни састав Сунчевог система.
Од јуна 2018. до новембра 2019. године, летелица Хајабуса2 Јапанске агенције за истраживање свемира (JAXA) спровела је опсежно даљинско истраживање астероида Рјугу. Подаци са блискоинфрацрвеног спектрометра (NIRS3) на Хајабуси-2 указују на то да би Рјугу могао бити састављен од материјала сличног термички и/или ударно метаморфним угљеничним хондритима. Најближи подудар је CY хондрит (Јамато тип) 2. Низак албедо Рјугуа може се објаснити присуством великог броја компоненти богатих угљеником, као и величином честица, порозношћу и ефектима просторног трошења. Летелица Хајабуса-2 је извршила два слетања и прикупљања узорака на Рјуги. Током првог слетања 21. фебруара 2019. године, добијен је површински материјал, који је смештен у одељку А повратне капсуле, а током другог слетања 11. јула 2019. године, материјал је сакупљен у близини вештачког кратера формираног малим преносивим ударним телом. Ови узорци се чувају у одељењу Ц. Почетна недеструктивна карактеризација честица у Фази 1 у посебним, неконтаминираним и чистим азотом испуњеним коморама у објектима којима управља JAXA показала је да су честице Рјугуа најсличније CI4 хондритима и да показују „различите нивое варијација“3. Наизглед контрадикторна класификација Рјугуа, слична CY или CI хондритима, може се решити само детаљном изотопском, елементарном и минералошком карактеризацијом честица Рјугуа. Резултати представљени овде пружају солидну основу за одређивање које је од ова два прелиминарна објашњења за укупни састав астероида Рјугу највероватније.
Осам Рјугу пелета (укупно приближно 60 мг), четири из коморе А и четири из коморе Ц, додељене су Фази 2 ради управљања тимом Кочи. Главни циљ студије је да се разјасни природа, порекло и еволутивна историја астероида Рјугу, и да се документују сличности и разлике са другим познатим ванземаљским узорцима као што су хондрити, међупланетарне честице прашине (ИДП) и комете које се враћају. Узорке је прикупила НАСА-ина мисија Стардаст.
Детаљна минералошка анализа пет зрна Рјугуа (A0029, A0037, C0009, C0014 и C0068) показала је да су углавном састављена од ситнозрних и крупнозрних филосиликата (~64–88 вол.%; сл. 1а, б, допунска сл. 1). и додатна табела 1). Крупнозрни филосиликати се јављају као перасти агрегати (величине до десетина микрона) у ситнозрним, филосиликатним матрицама (величине мање од неколико микрона). Слојевите силикатне честице су симбионти серпентина и сапонита (сл. 1ц). Мапа (Si + Al)-Mg-Fe такође показује да масивна слојевита силикатна матрица има средњи састав између серпентина и сапонита (сл. 2а, б). Филосиликатна матрица садржи карбонатне минерале (~2–21 вол.%), сулфидне минерале (~2,4–5,5 вол.%) и магнетит (~3,6–6,8 вол.%). Једна од честица испитаних у овој студији (C0009) садржала је малу количину (~0,5 вол.%) безводних силиката (оливина и пироксена), што може помоћи у идентификацији изворног материјала који је чинио сирови камен Рјугу5. Овај безводни силикат је редак у пелетама Рјугу и позитивно је идентификован само у пелети C0009. Карбонати су присутни у матрици као фрагменти (мањи од неколико стотина микрона), углавном доломит, са малим количинама калцијум карбоната и бринела. Магнетит се јавља као изоловане честице, фрамбоиди, плакови или сферни агрегати. Сулфиди су углавном представљени пиротином у облику неправилних хексагоналних призма/плоча или летвица. Матрица садржи велику количину субмикронског пентландита или у комбинацији са пиротитом. Фазе богате угљеником (величине <10 µm) јављају се свеприсутно у матрици богатој филосиликатима. Фазе богате угљеником (величине <10 µm) јављају се свеприсутно у матрици богатој филосиликатима. Богатие углеродом фази (размером <10 мкм) встречаутса повсеместно в богатој филлосиликатами матрице. Фазе богате угљеником (величине <10 µm) јављају се свеприсутно у матрици богатој филосиликатима.富含碳的相（尺寸<10 µм)普遍存在于富含层状硅酸盐的基质中。富含碳的相（尺寸<10 µм)普遍存在于富含层状硅酸盐的基质中。 Богатие углеродом фази (размером <10 мкм) превладаут в богатој филосиликатами матрицама. Фазе богате угљеником (величине <10 µm) преовлађују у матрици богатој филосиликатима.Остали помоћни минерали приказани су у Додатној табели 1. Списак минерала одређених из рендгенског дифрактограма смеше C0087 и A0029 и A0037 је веома конзистентан са оним одређеним у хондриту CI (Orgueil), али се значајно разликује од хондрита CY и CM (Mighei тип) (Слика 1 са проширеним подацима и Додатна слика 2). Укупан садржај елемената у зрнима Ryugu (A0098, C0068) је такође конзистентан са хондритом 6 CI (проширени подаци, Слика 2 и Додатна табела 2). Насупрот томе, CM хондрити су осиромашени умерено и веома испарљивим елементима, посебно Mn и Zn, а већи у ватросталним елементима7. Концентрације неких елемената значајно варирају, што може бити одраз инхерентне хетерогености узорка због мале величине појединачних честица и резултујуће пристрасности узорковања. Све петролошке, минералошке и елементарне карактеристике указују да су зрна Рјугуа веома слична хондритима CI8,9,10. Значајан изузетак је одсуство ферихидрита и сулфата у зрнима Рјугуа, што сугерише да су ови минерали у хондритима CI настали услед копненог распадања.
а, Композитни рендгенски снимак Mg Kα (црвена), Ca Kα (зелена), Fe Kα (плава) и S Kα (жута) суво полираног пресека C0068. Фракција се састоји од слојевитих силиката (црвена: ~88 вол.%), карбоната (доломит; светло зелена: ~1,6 вол.%), магнетита (плава: ~5,3 вол.%) и сулфида (жута: сулфид = ~2,5 вол.%). есеј. б, слика контурног региона у повратно расејаним електронима на а. Bru – незрео; Dole – доломит; FeS је гвожђе сулфид; Mag – магнетит; juice – сапун; Srp – серпентин. ц, слика високорезолуционе трансмисионе електронске микроскопије (ТЕМ) типичног међусобног раста сапонита и серпентина која приказује серпентинске и сапонитне решеткасте траке од 0,7 nm и 1,1 nm, респективно.
Састав матрице и слојевитих силикатних (ат %) честица Ryugu A0037 (пуни црвени кругови) и C0068 (пуни плави кругови) приказан је у тернарном систему (Si+Al)-Mg-Fe. а, Резултати електронске микроанализе (EPMA) приказани у односу на CI хондрите (Ivuna, Orgueil, Alais)16 приказани сивом бојом ради поређења. б, Анализа скенирајуће TEM (STEM) и енергетски дисперзивне X-зрачне спектроскопије (EDS) приказана је ради поређења са метеоритима Orgueil9 и Murchison46 и хидратисаним IDP47. Анализирани су ситнозрнасти и крупнозрнасти филосиликати, избегавајући мале честице гвожђе сулфида. Испрекидане линије у а и б показују линије растварања сапонита и серпентина. Састав богат гвожђем у а може бити последица субмикронских зрна гвожђе сулфида унутар слојевитих силикатних зрна, што се не може искључити просторном резолуцијом EPMA анализе. Тачке података са већим садржајем Si него сапонит у б могу бити узроковане присуством наноразмерног аморфног материјала богатог силицијумом у међупросторима филосиликатног слоја. Број анализа: N=69 за A0037, N=68 за EPMA, N=68 за C0068, N=19 за A0037 и N=27 за C0068 за STEM-EDS. ц, изотопска мапа триокси честице Ryugu C0014-4 у поређењу са вредностима хондрита CI (Orgueil), CY (Y-82162) и литературним подацима (CM и C2-ung)41,48,49. Добили смо податке за метеорите Orgueil и Y-82162. CCAM је линија безводних угљеничних хондритих минерала, TFL је линија раздвајања копна. d, Δ17O и δ18O мапе честице Рјугу C0014-4, CI хондрита (Оргеј) и CY хондрита (Y-82162) (ова студија). Δ17O_Рјугу: Вредност Δ17O C0014-1. Δ17O_Оргеј: Просечна вредност Δ17O за Оргеј. Δ17O_Y-82162: Просечна вредност Δ17O за Y-82162. CI и CY подаци из литературе 41, 48, 49 су такође приказани ради поређења.
Анализа масених изотопа кисеоника је извршена на узорку од 1,83 мг материјала екстрахованог из грануларног C0014 ласерском флуорацијом (Методе). Ради поређења, анализирали смо седам копија Оргеила (CI) (укупна маса = 8,96 мг) и седам копија Y-82162 (CY) (укупна маса = 5,11 мг) (Додатна табела 3).
На слици 2д је приказано јасно раздвајање Δ17O и δ18O између просечних тежинских честица Оргеила и Рјугуа у поређењу са Y-82162. Δ17O честице Рјугу C0014-4 је веће од вредности честице Оргеила, упркос преклапању на 2 сд. Честице Рјугуа имају веће вредности Δ17O ​​у поређењу са Оргеилом, што може одражавати копнено загађење овог другог од његовог пада 1864. године. Временске прилике у копненом окружењу11 нужно доводе до уградње атмосферског кисеоника, приближавајући укупну анализу копненој линији фракционисања (TFL). Овај закључак је у складу са минералошким подацима (о којима је раније било речи) да зрна Рјугуа не садрже хидрате или сулфате, док Оргеил садржи.
На основу горе наведених минералошких података, ови резултати подржавају везу између зрна Рјугуа и CI хондрита, али искључују везу CY хондрита. Чињеница да зрна Рјугуа нису повезана са CY хондритима, који показују јасне знаке дехидрације у минералогији, је загонетка. Орбитална посматрања Рјугуа изгледа указују на то да је претрпео дехидрацију и да је стога вероватно састављен од CY материјала. Разлози за ову очигледну разлику остају нејасни. Анализа изотопа кисеоника других честица Рјугуа представљена је у пратећем раду 12. Међутим, резултати овог проширеног скупа података су такође у складу са везом између честица Рјугуа и CI хондрита.
Користећи технике координисане микроанализе (Допунска слика 3), испитали смо просторну расподелу органског угљеника по целој површини фракције фокусираног јонског снопа (FIB) C0068.25 (Сл. 3a–f). Спектри фине структуре X-зрака угљеника (NEXAFS) на ближој ивици у пресеку C0068.25 приказују неколико функционалних група – ароматичне или C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH₄ (287,5 eV) и C(=O)O (288,8 eV) – структура графена је одсутна на 291,7 eV (Сл. 3a), што значи низак степен термичких варијација. Јак CH₄ пик (287,5 eV) парцијалних органских једињења C0068.25 разликује се од нерастворљивих органских једињења претходно проучаваних угљеничних хондрита и сличнији је IDP14 и кометним честицама добијеним мисијом Stardust. Јак CH пик на 287,5 eV и веома слаб ароматични или C=C пик на 285,2 eV указују на то да су органска једињења богата алифатичним једињењима (Сл. 3а и Допунска слика 3а). Подручја богата алифатичним органским једињењима локализована су у крупнозрнастим филосиликатима, као и у подручјима са лошом ароматичном (или C=C) структуром угљеника (Сл. 3ц,д). Насупрот томе, A0037,22 (Допунска слика 3) делимично је показао нижи садржај алифатичних региона богатих угљеником. Основна минералогија ових зрна је богата карбонатима, слично хондриту CI 16, што указује на опсежну промену изворне воде (Допунска табела 1). Оксидациони услови ће фаворизовати веће концентрације карбонилних и карбоксилних функционалних група у органским једињењима повезаним са карбонатима. Субмикронска дистрибуција органских материја са алифатичним структурама угљеника може се веома разликовати од дистрибуције крупнозрнастих слојевитих силиката. Назнаке алифатичних органских једињења повезаних са филосиликатом-OH пронађене су у метеориту језера Тагиш. Координисани микроаналитички подаци указују на то да органска материја богата алифатичним једињењима може бити широко распрострањена у астероидима C-типа и уско повезана са филосиликатима. Овај закључак је у складу са претходним извештајима о алифатичним/ароматичним CH₃ у честицама Рјугуа, које је демонстрирао MicroOmega, хиперспектрални микроскоп блиског инфрацрвеног зрачења. Важно и нерешено питање је да ли се јединствена својства алифатичних органских једињења богатих угљеником, повезаних са крупнозрнастим филосиликатима, примећена у овој студији, налазе само на астероиду Рјугу.
а, NEXAFS угљенични спектри нормализовани на 292 eV у ароматичном (C=C) богатом региону (црвена), у алифатичном богатом региону (зелена) и у матрици (плава). Сива линија је Мерчисонов 13 нерастворљиви органски спектар за поређење. au, арбитражна јединица. б, Скенирајућа трансмисиона рендгенска микроскопија (STXM) спектрална слика угљеничне K-ивице која показује да у пресеку доминира угљеник. ц, RGB композитни графикон са ароматичним (C=C) богатим регионима (црвена), алифатичним богатим регионима (зелена) и матрицом (плава). д, органске материје богате алифатичним једињењима су концентрисане у крупнозрнастом филосиликату, површина је увећана из белих испрекиданих оквира у b и c. е, велике наносфере (ng-1) у површини увећаној из беле испрекидане кутије у b и c. За: пиротин. Pn: никл-хромит. ф, Наноразмерна секундарна јонска масена спектрометрија (NanoSIMS), елементарне слике водоника (1H), угљеника (12C) и азота (12C14N), слике односа елемената 12C/1H и унакрсне слике изотопа δD, δ13C и δ15N – Одељак PG-1: пресоларни графит са екстремним обогаћивањем 13C (Додатна табела 4).
Кинетичке студије разградње органске материје у Мерчисоновим метеоритима могу пружити важне информације о хетерогеној дистрибуцији алифатичне органске материје богате зрнима Рјугуа. Ова студија показује да алифатичне CH везе у органској материји опстају до максималне температуре од око 30°C на матичној стени и/или се мењају са односима време-температура (нпр. 200 година на 100°C и 0°C 100 милиона година). Ако се прекурсор не загрева на датој температури дуже од одређеног времена, оригинална дистрибуција алифатичних органских материја богатих филосиликатима може бити очувана. Међутим, промене воде у изворној стени могу искомпликовати ово тумачење, јер А0037 богат карбонатом не показује никакве алифатичне регионе богате угљеником повезане са филосиликатима. Ова промена ниске температуре отприлике одговара присуству кубног фелдспата у зрнима Рјугуа (Додатна табела 1)20.
Фракција C0068.25 (нг-1; слике 3а–ц,е) садржи велику наносферу која показује високо ароматичне (или C=C), умерено алифатичне и слабе спектре C(=O)O и C=O. Потпис алифатичног угљеника не подудара се са потписом органских материја нерастворљивих у маси и органских наносфера повезаних са хондритима (слика 3а) 17,21. Раманова и инфрацрвена спектроскопска анализа наносфера у језеру Тагиш показала је да се оне састоје од алифатичних и оксидованих органских једињења и неуређених полицикличних ароматичних органских једињења са сложеном структуром 22,23. Пошто околна матрица садржи органске материје богате алифатичним једињењима, потпис алифатичног угљеника у нг-1 може бити аналитички артефакт. Занимљиво је да нг-1 садржи уграђене аморфне силикате (слика 3е), текстуру која још није пријављена ни за једну ванземаљску органску материју. Аморфни силикати могу бити природне компоненте ng-1 или настати аморфизацијом водених/анхидрованих силиката јонским и/или електронским снопом током анализе.
НаноСИМС јонске слике пресека C0068.25 (Сл. 3ф) показују једнолике промене у δ13C и δ15N, осим за пресоларне зрна са великим обогаћењем 13C од 30.811‰ (PG-1 на слици δ13C на Сл. 3ф) (Додатна табела 4). Рендгенске елементарне слике зрна и ТЕМ слике високе резолуције показују само концентрацију угљеника и растојање између базалних равни од 0,3 nm, што одговара графиту. Важно је напоменути да су вредности δD (841 ± 394‰) и δ15N (169 ± 95‰), обогаћене алифатичном органском материјом повезаном са крупнозрнастим филосиликатима, нешто веће од просека за целу регију C (δD = 528 ± 139‰). ‰, δ15N = 67 ± 15 ‰) у C0068.25 (Додатна табела 4). Ово запажање сугерише да органске материје богате алифатицима у крупнозрнастим филосиликатима могу бити примитивније од околних органских материја, пошто су ове друге можда прошле кроз изотопску размену са околном водом у оригиналном телу. Алтернативно, ове изотопске промене могу бити повезане и са почетним процесом формирања. Тумачи се да су финозрнасти слојевити силикати у CI хондритима настали као резултат континуиране измене оригиналних крупнозрнастих безводних силикатних кластера. Органска материја богата алифатицима могла се формирати од молекула прекурсора у протопланетарном диску или међузвезданој средини пре формирања Сунчевог система, а затим је благо измењена током промена воде у матичном телу Рјугу (великом). Величина (<1,0 км) Рјугуа је премала да би довољно одржала унутрашњу топлоту за водену промену и формирање хидратантних минерала25. Величина (<1,0 км) Рјугуа је премала да би одржала довољно унутрашње топлоте за водену промену и формирање хидратантних минерала25. Размер (<1,0 км) Ругу слишком мал, чтоби поддерживает достаточное внутреннее тепло дла водного изменениа с образованием водних минералов25. Величина (<1,0 км) Рјугу је премали да би одржао довољну унутрашњу топлоту за промену воде и формирање минерала воде25. Риугу 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25. Риугу 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25. Размер Ругу (<1,0 км) слишком мал, чтоби поддерживает внутреннее тепло дла изменениа води с образованием водних минералов25. Величина Рјугуа (<1,0 км) је премала да би подржала унутрашњу топлоту потребну за промену воде и формирање водених минерала25.Стога, претходници Рјугуа могу бити потребни десетине километара у величини. Органска материја богата алифатичним једињењима може задржати своје оригиналне односе изотопа због повезивања са крупнозрнастим филосиликатима. Међутим, тачна природа изотопских тешких носача остаје неизвесна због сложеног и деликатног мешања различитих компоненти у овим FIB фракцијама. То могу бити органске супстанце богате алифатичним једињењима у Рјугу гранулама или крупни филосиликати који их окружују. Треба напоменути да органска материја у скоро свим угљеничним хондритима (укључујући CI хондрите) има тенденцију да буде богатија D него у филосиликатима, са изузетком CM Paris 24, 26 метеорита.
Графикони запремине δD и δ15N FIB кришки добијених за A0002.23 и A0002.26, A0037.22 и A0037.23 и C0068.23, C0068.25 и C0068.26 FIB кришке (укупно седам FIB кришки од три честице Рјугуа). Поређење NanoSIMS-а са другим објектима Сунчевог система приказано је на слици 4 (Додатна табела 4)27,28. Промене запремине δD и δ15N у профилима A0002, A0037 и C0068 су у складу са онима у IDP, али веће него у хондритима CM и CI (Слика 4). Треба напоменути да је опсег вредности δD за узорак комете 29 (-240 до 1655‰) већи него код Рјугуа. Запремине δD и δ15N профила са Рјукјуа су, по правилу, мање од просека за комете Јупитерове породице и Ортовог облака (Сл. 4). Ниже вредности δD ​​CI хондрита могу одражавати утицај земаљске контаминације у овим узорцима. С обзиром на сличности између Белса, језера Тагиш и IDP-а, велика хетерогеност вредности δD и δN ​​у честицама Рјугуа може одражавати промене у почетним изотопским потписима органских и водених састава у раном Сунчевом систему. Сличне изотопске промене δD и δN у честицама Рјугуа и IDP-а сугеришу да су се обе могле формирати од материјала из истог извора. Верује се да IDP потичу из кометних извора 14. Стога, Рјугу може садржати материјал сличан комети и/или барем спољашњи део Сунчевог система. Међутим, ово може бити теже него што овде наводимо због (1) мешавине сферулитске и воде богате D на матичном телу 31 и (2) односа D/H комете као функције кометне активности 32. Међутим, разлози за уочену хетерогеност изотопа водоника и азота у честицама Рјугуа нису у потпуности схваћени, делимично због ограниченог броја анализа доступних данас. Резултати система изотопа водоника и азота и даље указују на могућност да Рјугу садржи већину материјала изван Сунчевог система и стога може показати извесну сличност са кометама. Профил Рјугуа није показао очигледну корелацију између δ13C и δ15N (Додатна табела 4).
Укупни изотопски састав H и N честица Рјугу (црвени кругови: A0002, A0037; плави кругови: C0068) корелира са соларном магнитудом 27, Јупитеровом средњом породицом (JFC27) и кометама Ортовог облака (OCC27), IDP28 и угљеничним хондрулама. Поређење метеорита 27 (CI, CM, CR, C2-ung). Изотопски састав је дат у Додатној табели 4. Испрекидане линије представљају земаљске изотопске вредности за H и N.
Транспорт испарљивих материја (нпр. органске материје и воде) на Земљу остаје забрињавајући26,27,33. Субмикронска органска материја повезана са крупним филосиликатима у честицама Рјугуа идентификованим у овој студији може бити важан извор испарљивих материја. Органска материја у крупнозрнастим филосиликатима је боље заштићена од деградације16,34 и распадања35 него органска материја у финозрнастим матрицама. Тежи изотопски састав водоника у честицама значи да је мало вероватно да су оне једини извор испарљивих материја пренетих на рану Земљу. Могу се мешати са компонентама са лакшим изотопским саставом водоника, као што је недавно предложено у хипотези о присуству воде покретане соларним ветром у силикатима.
У овој студији показујемо да су CI метеорити, упркос свом геохемијском значају као представници укупног састава Сунчевог система,6,10 контаминирани земаљски узорци. Такође пружамо директне доказе о интеракцијама између богате алифатичне органске материје и суседних хидрираних минерала и сугеришемо да Рјугу може садржати екстрасоларни материјал37. Резултати ове студије јасно показују важност директног узорковања протоастероида и потребу за транспортом враћених узорака у потпуно инертним и стерилним условима. Докази представљени овде показују да су честице Рјугуа несумњиво један од најнеконтаминиранијих материјала Сунчевог система доступних за лабораторијска истраживања, а даља проучавања ових драгоцених узорака ће несумњиво проширити наше разумевање процеса раног Сунчевог система. Честице Рјугуа су најбољи приказ укупног састава Сунчевог система.
Да бисмо утврдили сложену микроструктуру и хемијска својства узорака субмикронске величине, користили смо компјутеризовану томографију засновану на синхротронском зрачењу (SR-XCT) и SR дифракцију X-зрака (XRD)-CT, FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM анализу. Није било деградације, загађења услед Земљине атмосфере, нити оштећења од финих честица или механичких узорака. У међувремену, спровели смо систематску волуметријску анализу користећи скенирајућу електронску микроскопију (SEM)-EDS, EPMA, XRD, инструменталну анализу активације неутрона (INAA) и опрему за флуорисање изотопа кисеоника помоћу ласера. Поступци испитивања су приказани на Додатној слици 3, а сваки тест је описан у следећим одељцима.
Честице са астероида Рјугу су прикупљене из модула за повратак у свемир Хајабуса-2 и испоручене у контролни центар ЈАКСА у Сагамихари, у Јапану, без загађивања Земљине атмосфере4. Након почетне и недеструктивне карактеризације у објекту којим управља ЈАКСА, користити контејнере за пренос између локација који се могу затворити и вреће за капсуле за узорке (сафирно кристално стакло пречника 10 или 15 мм и нерђајући челик, у зависности од величине узорка) како би се избегло ометање животне средине. y и/или загађивачи тла (нпр. водена пара, угљоводоници, атмосферски гасови и фине честице) и унакрсна контаминација између узорака током припреме узорака и транспорта између института и универзитета38. Да би се избегла деградација и загађење услед интеракције са Земљином атмосфером (водена пара и кисеоник), све врсте припреме узорака (укључујући уситњавање тантал длетом, коришћење уравнотежене дијамантске жичане тестере (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) и сечење епоксида) (припрема за инсталацију) су спроведене у кутији за рукавице под чистим сувим N2 (тачка росе: -80 до -60 °C, O2 ~50-100 ppm). Сви предмети који се овде користе чисте се комбинацијом ултрачисте воде и етанола коришћењем ултразвучних таласа различитих фреквенција.
Овде проучавамо колекцију метеорита Националног института за поларна истраживања (NIPR) из Антарктичког истраживачког центра за метеорите (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 и CY: Y 980115).
За пренос између инструмената за SR-XCT, NanoSIMS, STXM-NEXAFS и TEM анализу, користили смо универзални ултратанки држач узорака описан у претходним студијама38.
SR-XCT анализа узорака са Рјугуа извршена је коришћењем интегрисаног CT система BL20XU/SPring-8. Интегрисани CT систем се састоји од различитих режима мерења: режим широког видног поља и режим ниске резолуције (WL) за снимање целе структуре узорка, уског видног поља и режима високе резолуције (NH) за прецизно мерење површине узорка, као и рендгенских снимака за добијање дифракционог дијаграма запремине узорка, као и XRD-CT за добијање 2D дијаграма минералних фаза хоризонталне равни у узорку. Треба напоменути да се сва мерења могу извршити без коришћења уграђеног система за уклањање држача узорка са базе, што омогућава прецизна CT и XRD-CT мерења. Детектор X-зрака у WL режиму (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) био је опремљен додатном метал-оксид-полупроводничком (CMOS) камером резолуције 4608 × 4608 пиксела (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) са сцинтилатором који се састоји од монокристала лутецијум-алуминијум-граната дебљине 10 µm (Lu3Al5O12:Ce) и релејног сочива. Величина пиксела у WL режиму је око 0,848 µm. Дакле, видно поље (FOV) у WL режиму је приближно 6 mm у офсет CT режиму. Рендгенски детектор у NH моду (BM AA50; Hamamatsu Photonics) био је опремљен сцинтилатором од гадолинијум-алуминијум-галијум граната (Gd3Al2Ga3O12) дебљине 20 µm, CMOS камером (C11440-22CU) резолуције 2048 × 2048 пиксела; Hamamatsu Photonics) и сочивом ×20. Величина пиксела у NH моду је ~0,25 µm, а видно поље је ~0,5 mm. Детектор за XRD мод (BM AA60; Hamamatsu Photonics) био је опремљен сцинтилатором који се састоји од сита од праха P43 (Gd2O2S:Tb) дебљине 50 µm, CMOS камере резолуције 2304 × 2304 пиксела (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) и релејног сочива. Детектор има ефективну величину пиксела од 19,05 µм и видно поље од 43,9 мм2. Да бисмо повећали видно поље (FOV), применили смо офсет CT процедуру у WL режиму. Слика пропуштене светлости за CT реконструкцију састоји се од слике у опсегу од 180° до 360° рефлектоване хоризонтално око осе ротације и слике у опсегу од 0° до 180°.
У XRD режиму, рендгенски сноп се фокусира помоћу Френелове зонске плоче. У овом режиму, детектор је постављен 110 mm иза узорка, а граничник снопа је 3 mm испред детектора. Дифракционе слике у 2θ опсегу од 1,43° до 18,00° (корак решетке d = 16,6–1,32 Å) добијене су са рендгенском тачком фокусираном на дну видног поља детектора. Узорак се креће вертикално у правилним интервалима, са пола окрета за сваки корак вертикалног скенирања. Ако минералне честице задовољавају Брагов услов када се ротирају за 180°, могуће је добити дифракцију минералних честица у хоризонталној равни. Дифракционе слике су затим комбиноване у једну слику за сваки корак вертикалног скенирања. Услови SR-XRD-CT анализе су скоро исти као и за SR-XRD анализу. У XRD-CT режиму, детектор је постављен 69 mm иза узорка. Дифракционе слике у 2θ опсегу крећу се од 1,2° до 17,68° (d = 19,73 до 1,35 Å), где су и рендгенски сноп и ограничивач снопа у линији са центром видног поља детектора. Скенирајте узорак хоризонтално и ротирајте га за 180°. SR-XRD-CT слике су реконструисане са вршним интензитетима минерала као вредностима пиксела. Код хоризонталног скенирања, узорак се обично скенира у 500–1000 корака.
За све експерименте, енергија X-зрака је фиксирана на 30 keV, јер је то доња граница продора X-зрака у метеорите пречника од око 6 mm. Број слика добијених за сва CT мерења током ротације од 180° био је 1800 (3600 за offset CT програм), а време експозиције за слике је било 100 ms за WL режим, 300 ms за NH режим, 500 ms за XRD и 50 ms за XRD-CT ms. Типично време скенирања узорка је око 10 минута у WL режиму, 15 минута у NH режиму, 3 сата за XRD и 8 сати за SR-XRD-CT.
CT снимци су реконструисани конволуционом повратном пројекцијом и нормализовани за линеарни коефицијент слабљења од 0 до 80 cm-1. За анализу 3D података коришћен је Slice софтвер, а за анализу XRD података muXRD софтвер.
Епоксидом фиксиране честице Рјугуа (A0029, A0037, C0009, C0014 и C0068) су постепено полиране на површини до нивоа дијамантског филма дебљине 0,5 µm (3M) у сувим условима, избегавајући контакт материјала са површином током процеса полирања. Полирана површина сваког узорка је прво испитана светлосном микроскопијом, а затим је повратно расејана електронима како би се добиле минералошке и текстурне слике (BSE) узорака и квалитативне NIPR слике коришћењем JEOL JSM-7100F SEM опремљеног енергетски дисперзивним спектрометром (AZtec). енергетска слика. За сваки узорак, садржај главних и споредних елемената је анализиран коришћењем микроанализатора са електронском сондом (EPMA, JEOL JXA-8200). Анализирају се филосиликатне и карбонатне честице на 5 nA, природни и синтетички стандарди на 15 keV, сулфиди, магнетит, оливин и пироксен на 30 nA. Модални степен оцењивања је израчунат из мапа елемената и BSE слика коришћењем софтвера ImageJ 1.53 са одговарајућим праговима произвољно подешеним за сваки минерал.
Анализа изотопа кисеоника је спроведена на Отвореном универзитету (Милтон Кинс, Велика Британија) коришћењем инфрацрвеног ласерског система за флуорисање. Узорци Хајабусе2 су достављени на Отворени универзитет 38 у контејнерима напуњеним азотом ради преноса између објеката.
Уношење узорка је извршено у кутији за рукавице са азотом са праћеним нивоом кисеоника испод 0,1%. За аналитички рад са Хајабуса2, направљен је нови држач узорка Ni, који се састоји од само два отвора за узорак (пречника 2,5 мм, дубине 5 мм), једног за честице Хајабуса2 и другог за интерни стандард опсидијана. Током анализе, бунар за узорак који садржи материјал Хајабуса2 био је прекривен унутрашњим прозором BaF2 дебљине приближно 1 мм и пречника 3 мм како би се држао узорак током ласерске реакције. Проток BrF5 до узорка одржаван је каналом за мешање гаса исеченим у држачу узорка Ni. Комора за узорак је такође реконфигурисана тако да се може уклонити из вакуумске линије за флуорисање, а затим отворити у кутији за рукавице напуњеној азотом. Дводелна комора је запечаћена бакарним компресионим заптивачем и EVAC брзоотпуштајућом CeFIX 38 стезаљком. Прозор BaF2 дебљине 3 мм на врху коморе омогућава истовремено посматрање узорка и ласерског загревања. Након уношења узорка, поново стегните комору и поново је повежите са флуорисаном линијом. Пре анализе, комора за узорке је загрејана под вакуумом на око 95°C преко ноћи како би се уклонила сва адсорбована влага. Након загревања преко ноћи, комора је остављена да се охлади на собну температуру, а затим је део изложен атмосфери током преноса узорка прочишћен са три аликвота BrF5 како би се уклонила влага. Ове процедуре осигуравају да узорак Хајабусе 2 није изложен атмосфери и да није контаминиран влагом из дела флуорисане цеви која се испушта у атмосферу током утовара узорка.
Узорци честица Ryugu C0014-4 и Orgueil (CI) анализирани су у модификованом „једноструком“ режиму42, док је анализа Y-82162 (CY) извршена на једном послужавнику са више бунара за узорке41. Због њиховог безводног састава, није потребно користити једну методу за CY хондрите. Узорци су загрејани помоћу инфрацрвеног CO2 ласера ​​Photon Machines Inc. снаге 50 W (10,6 µm) постављеног на XYZ порталу у присуству BrF5. Уграђени видео систем прати ток реакције. Након флуорисања, ослобођени O2 је пречишћен помоћу две криогене замке за азот и загрејаног слоја KBr да би се уклонио вишак флуора. Изотопски састав пречишћеног кисеоника анализиран је на двоканалном масеном спектрометру Thermo Fisher MAT 253 са масеном резолуцијом од око 200.
У неким случајевима, количина гасовитог O2 ослобођеног током реакције узорка била је мања од 140 µг, што је приближна граница коришћења уређаја са мехом на масеном спектрометру MAT 253. У тим случајевима, користите микрозапремине за анализу. Након анализе честица Hayabusa2, интерни стандард обсидијана је флуорисан и одређен је његов изотопски састав кисеоника.
Јони NF+ NF3+ фрагмента ометају сноп масе 33 (16O17O). Да би се елиминисао овај потенцијални проблем, већина узорака се обрађује коришћењем криогених процедура раздвајања. Ово се може урадити у директном смеру пре MAT 253 анализе или као друга анализа враћањем анализираног гаса назад у специјално молекуларно сито и поновним пропуштањем након криогеног раздвајања. Криогено раздвајање подразумева довод гаса у молекуларно сито на температури течног азота, а затим његово испуштање у примарно молекуларно сито на температури од -130°C. Опсежна испитивања су показала да NF+ остаје на првом молекуларном ситу и да се коришћењем ове методе не дешава значајно фракционисање.
На основу поновљених анализа наших интерних стандарда опсидијана, укупна тачност система у режиму меха је: ±0,053‰ за δ17O, ±0,095‰ за δ18O, ±0,018‰ за Δ17O (2 сд). Анализа изотопа кисеоника дата је у стандардној делта нотацији, где се делта18O израчунава као:
Такође користите однос 17O/16O за δ17O. VSMOW је међународни стандард за Бечки средњи стандард морске воде. Δ17O представља одступање од линије фракционисања Земље, а формула за израчунавање је: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Сви подаци представљени у Додатној табели 3 су прилагођени за празнине.
Пресеци дебљине приближно 150 до 200 nm су екстраховани из Ryugu честица коришћењем Hitachi High Tech SMI4050 FIB инструмента у JAMSTEC-у, Институту за узорковање језгара Кочи. Треба напоменути да су сви FIB пресеци добијени из необрађених фрагмената необрађених честица након што су уклоњени из посуда испуњених N2 гасом ради међуобјектовног преноса. Ови фрагменти нису мерени SR-CT-ом, већ су обрађени уз минимално излагање Земљиној атмосфери како би се избегла потенцијална оштећења и контаминација која би могла утицати на K-ивични спектар угљеника. Након наношења заштитног слоја волфрама, област од интереса (до 25 × 25 μm2) је исечена и истањена Ga+ јонским снопом при убрзавајућем напону од 30 kV, затим на 5 kV и струји сонде од 40 pA како би се минимизирало оштећење површине. Ултратанки пресеци су затим постављени на увећану бакарну мрежу (Kochi мрежа) 39 коришћењем микроманипулатора опремљеног FIB-ом.
Пелете Ryugu A0098 (1,6303 мг) и C0068 (0,6483 мг) су два пута запечаћене у чистим полиетиленским фолијама високе чистоће у кутији за рукавице испуњеној чистим азотом на SPring-8 без икакве интеракције са Земљином атмосфером. Припрема узорака за JB-1 (геолошку референтну стену коју је издао Геолошки завод Јапана) је спроведена на Токијском метрополитанском универзитету.
INAA се одржава у Институту за интегрисане радијационе и нуклеарне науке, Универзитета у Кјоту. Узорци су озрачени два пута са различитим циклусима зрачења изабраним према времену полураспада нуклида коришћеног за квантификацију елемената. Прво, узорак је озрачен у пнеуматској цеви за зрачење током 30 секунди. Флукси топлотних и брзих неутрона на слици 3 су 4,6 × 1012 и 9,6 × 1011 цм-2 с-1, респективно, за одређивање садржаја Mg, Al, Ca, Ti, V и Mn. Хемикалије као што су MgO (чистоћа 99,99%, Soekawa Chemical), Al (чистоћа 99,9%, Soekawa Chemical) и метал Si (чистоћа 99,999%, FUJIFILM Wako Pure Chemical) такође су озрачене да би се кориговале ометајуће нуклеарне реакције као што је (n, n). Узорак је такође озрачен натријум хлоридом (чистоћа 99,99%; MANAC) да би се кориговале промене у неутронском флуксу.
Након неутронског зрачења, спољашња полиетиленска фолија је замењена новом, а гама зрачење које емитују узорак и референца је одмах измерено Ge детектором. Исти узорци су поново озрачени 4 сата у пнеуматској цеви за зрачење. 2 има флуксеве топлоте и брзих неутрона од 5,6 x 1012 и 1,2 x 1012 цм-2 с-1, респективно, за одређивање Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, садржаја Se, Sb, Os, Ir и Au. Контролни узорци Ga, As, Se, Sb, Os, Ir и Au су озрачени наношењем одговарајућих количина (од 10 до 50 μг) стандардних раствора познатих концентрација ових елемената на два комада филтер папира, након чега је уследило зрачење узорака. Бројање гама зрака је извршено у Институту за интегрисане радијационе и нуклеарне науке, Универзитета у Кјоту и Истраживачком центру RI, Токијског метрополитанског универзитета. Аналитичке процедуре и референтни материјали за квантитативно одређивање INAA елемената су исти као они описани у нашем претходном раду.
За прикупљање дифракционих образаца узорака Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) и C0087 (<1 mg) на NIPR коришћен је рендгенски дифрактометар (Rigaku SmartLab). За прикупљање дифракционих образаца узорака Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) и C0087 (<1 mg) на NIPR коришћен је рендгенски дифрактометар (Rigaku SmartLab). Рентгеновскиј дифрактометр (Ригаку СмартЛаб) је користио за сбор дифракционних картин образов Риугу А0029 (<1 мг), А0037 (≪1 мг) и Ц0087 (<1 мг) у НИПР. За прикупљање дифракционих образаца узорака Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) и C0087 (<1 mg) у NIPR-у коришћен је рендгенски дифрактометар (Rigaku SmartLab).使用Кс 射线衍射仪 (Ригаку СмартЛаб) 在НИПР 收集Риугу 样品А0029 (<1 мг)、А0037 (<1 мг) 和Ц0087 (<1 мг) 皰使用Кс 射线衍射仪 (Ригаку СмартЛаб) 在НИПР 收集Риугу 样品А0029 (<1 мг)、А0037 (<1 мг) 和Ц0087 (<1 мг) 皰 Дифрактограмми образцов Риугу А0029 (<1 мг), А0037 (<1 мг) и Ц0087 (<1 мг) получени в НИПР с использованием рентгеновского дифрактометра (Ригаку СмартЛаб). Рендгенски дифрактограми узорака Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) и C0087 (<1 mg) добијени су на NIPR коришћењем рендгенског дифрактометра (Rigaku SmartLab).Сви узорци су млевени у фини прах на силицијумској нерефлектујућој плочици помоћу сафирне стаклене плоче, а затим равномерно распоређени по силицијумској нерефлектујућој плочици без икакве течности (воде или алкохола). Услови мерења су следећи: Cu Kα рендгенско зрачење се генерише при напону цеви од 40 kV и струји цеви од 40 mA, гранична дужина прореза је 10 mm, угао дивергенције је (1/6)°, брзина ротације у равни је 20 rpm, а опсег је 2θ (двоструки Брегов угао) је 3-100° и потребно је око 28 сати за анализу. Коришћена је Брентанова оптика Брентано. Детектор је једнодимензионални силицијумски полупроводнички детектор (D/teX Ultra 250). Рендгенски зраци Cu Kβ су уклоњени помоћу Ni филтера. Користећи доступне узорке, мерења синтетичког магнезијумског сапонита (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd), серпентина (лисни серпентин, Мијазу, Никка) и пиротина (моноклински 4C, Чива, Мексико Вотс) су упоређена да би се идентификовали врхови и користили подаци о дифракционим подацима из датотеке праха из Међународног центра за дифракционе податке, доломита (PDF 01-071-1662) и магнетита (PDF 00-019-0629). Подаци дифракције са Рјугуа су такође упоређени са подацима о хидроалтерованим угљеничним хондритима, Оргејл CI, Y-791198 CM2.4 и Y 980115 CY (фаза загревања III, 500–750°C). Поређење је показало сличности са Оргејлом, али не и са Y-791198 и Y 980115.
NEXAFS спектри са K ивицом угљеника ултратанких пресека узорака направљених од FIB мерени су коришћењем STXM BL4U канала на UVSOR синхротронском постројењу у Институту за молекуларне науке (Оказаки, Јапан). Величина тачке снопа оптички фокусираног помоћу Френелове зонске плоче је приближно 50 nm. Енергетски корак је 0,1 eV за фину структуру региона близу ивице (283,6–292,0 eV) и 0,5 eV (280,0–283,5 eV и 292,5–300,0 eV) за предње и задње предње регионе. Време за сваки пиксел слике је подешено на 2 ms. Након евакуације, STXM аналитичка комора је напуњена хелијумом под притиском од око 20 mbar. Ово помаже у минимизирању термичког дрифта опреме за X-зрачење у комори и држачу узорка, као и у смањењу оштећења и/или оксидације узорка. NEXAFS K-edge угљенични спектри су генерисани из сложених података коришћењем aXis2000 софтвера и власничког STXM софтвера за обраду података. Треба напоменути да се кутија за пренос узорка и кутија за рукавице користе како би се избегла оксидација и контаминација узорка.
Након STXM-NEXAFS анализе, изотопски састав водоника, угљеника и азота Ryugu FIB кришки је анализиран коришћењем изотопског снимања са JAMSTEC NanoSIMS 50L. Фокусирани Cs+ примарни сноп од око 2 pA за анализу изотопа угљеника и азота и око 13 pA за анализу изотопа водоника је растеризован на површини од око 24 × 24 µm2 до 30 × 30 µm2 на узорку. Након 3-минутног претходног прскања релативно јаком струјом примарног снопа, свака анализа је започета након стабилизације интензитета секундарног снопа. За анализу изотопа угљеника и азота, слике 12C–, 13C–, 16O–, 12C14N– и 12C15N– су истовремено добијене коришћењем мултиплекс детекције са седам електронских мултипликатора са масеном резолуцијом од приближно 9000, што је довољно за раздвајање свих релевантних изотопских једињења. интерференција (тј. 12C1H на 13C и 13C14N на 12C15N). За анализу изотопа водоника, добијене су 1H-, 2D- и 12C- слике са масеном резолуцијом од приближно 3000 са вишеструком детекцијом коришћењем три електронска мултипликатора. Свака анализа се састоји од 30 скенираних слика исте области, при чему једна слика садржи 256 × 256 пиксела за анализу изотопа угљеника и азота и 128 × 128 пиксела за анализу изотопа водоника. Време кашњења је 3000 µs по пикселу за анализу изотопа угљеника и азота и 5000 µs по пикселу за анализу изотопа водоника. Користили смо 1-хидроксибензотриазол хидрат као стандарде изотопа водоника, угљеника и азота за калибрацију инструменталне масене фракционације45.
Да бисмо одредили изотопски састав силицијума пресоларног графита у FIB C0068-25 профилу, користили смо шест електронских мултипликатора са масеном резолуцијом од око 9000. Слике се састоје од 256 × 256 пиксела са временом кашњења од 3000 µs по пикселу. Калибрисали смо инструмент за масено фракционисање користећи силицијумске плочице као стандарде изотопа водоника, угљеника и силицијума.
Изотопске слике су обрађене коришћењем НАСА-иног софтвера за снимање NanoSIMS45. Подаци су кориговани за мртво време електронског множитеља (44 ns) и ефекте квази-истовременог доласка. Различито поравнање скенирања за сваку слику ради корекције померања слике током аквизиције. Коначна изотопска слика је креирана додавањем секундарних јона из сваке слике за сваки пиксел скенирања.
Након STXM-NEXAFS и NanoSIMS анализе, исти FIB пресеци су испитани коришћењем трансмисионог електронског микроскопа (JEOL JEM-ARM200F) на убрзавајућем напону од 200 kV у Кочију, JAMSTEC. Микроструктура је посматрана коришћењем TEM-а у светлом пољу и TEM-а са високим углом скенирања у тамном пољу. Минералне фазе су идентификоване дифракцијом спот електрона и снимањем решеткастих трака, а хемијска анализа је извршена EDS-ом са силицијумским дрифт детектором од 100 mm² и софтвером JEOL Analysis Station 4.30. За квантитативну анализу, карактеристични интензитет X-зрака за сваки елемент је мерен у TEM режиму скенирања са фиксним временом аквизиције података од 30 s, површином скенирања снопа од ~100 × 100 nm² и струјом снопа од 50 pA. Однос (Si + Al)-Mg-Fe у слојевитим силикатима је одређен коришћењем експерименталног коефицијента k, коригованог за дебљину, добијеног из стандарда природног пиропагарана.
Све слике и анализе коришћене у овој студији доступне су на JAXA систему за архивирање и комуникацију података (DARTS) https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2. Овај чланак пружа оригиналне податке.
Китари, К. и др. Површински састав астероида 162173 Рјугу, како је посматрао инструмент Хајабуса2 NIRS3. Science 364, 272–275.
Ким, АЈ Јамато-типа угљеничних хондрита (CY): аналози површине астероида Рјугу? Геохемија 79, 125531 (2019).
Пилорџет, С. и др. Прва анализа састава узорака са острва Рјугу извршена је коришћењем хиперспектралног микроскопа MicroOmega. National Astron. 6, 221–225 (2021).
Јада, Т. и др. Прелиминарна анализа узорка Хјабуса2 враћеног са астероида типа C Рјугу. National Astron. 6, 214–220 (2021).