结合中子和 X 射线成像,科学家研究陨石以探索地球怎样获得水

陨石 GRA 06100 切片的彩色 X 射线图像与同一切片的中子图像重叠显示富含铁的物质(粉红色)、含氢化合物浓度低的区域(绿色)、高浓度区域含氢化合物(蓝色)和富含铁的氢化化合物(紫色)。 比例尺为一厘米。 图片来源:A. Treiman/月球与行星研究所/USRA

每年,数百颗陨石——太阳系形成时遗留下来的岩石体——轰击地球,向我们的星球输送矿物质、金属和水。 分析陨石内部的裂缝和富含矿物质的沉积物不仅可以揭示行星形成的早期历史,还可以提供有关年轻地球怎样获得水和其他生命必需成分的线索。

现在,美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员结合了两种互补技术——X 射线成像和中子成像——来观察这些岩石残余物的内部。

中子成像是寻找水和其他含氢化合物的理想选择,因为中子很容易弹射出氢气。 相比之下,X 射线成像最适合寻找重元素沉积物,例如铁和镍,因为 X 射线主要被重原子中的大量电子散射。

陨石 EET 87503 的影片描绘了 X 射线和中子成像的叠加。 紫色和橙色代表两种不同类型的富铁矿物; 绿色表示其结构中含有水的矿物质。 学分:NIST

这两种成像技术都不会显着损害或改变陨石,不像其他分析岩石化学成分的方法需要切割陨石薄片。 尽管过去每种成像方法都是单独使用的,但该团队是最早同时使用这两种技术来创建 X 射线和中子束快照的团队之一。

在他们的试点研究中,科学家们检查了两颗陨石,它们的矿物质和水分含量已经众所周知,以便他们可以评估组合成像方法的准确性。 其中一块岩石被称为 EET 87503,是大型小行星灶神星表面的碎片,但也含有来自不同的富含水的小行星的物质。

另一颗陨石 GRA 06100 富含铁和镍,被归类为球粒陨石——一种自太阳系早期以来就没有因熔化或其他过程而改变的岩石。 它还含有大量因过去接触水而形成的含氢硅酸盐。

陨石 GRA 06100 的影片描绘了 X 射线和中子成像的叠加。 红色表示富含铁的化合物; 蓝色表示氢化化合物,包括水。 学分:NIST

为了创建陨石的三维视图,NIST 研究人员 Jacob LaManna 和 Daniel Hussey 以及来自休斯顿月球和行星研究所、田纳西州橡树岭国家实验室和芝加哥大学的同事使用 X 射线和中子束对岩石的横截面进行成像。 然后将不同横截面的单个图像组合起来以创建 3D 图像,这是一种称为断层扫描的技术。 (医生通常使用 X 射线断层扫描,通常称为 CT 扫描,对人体进行成像。)

成像方法准确地揭示了两块陨石中富含金属的矿物、硅酸盐矿物、水和其他氢化化合物的位置。 中子成像精确定位并表征了 GRA 06100 中的球粒陨石晶粒,然后可以将其提取以进行进一步研究。 Hussey 说,3D 成像可以测试水是怎样进入岩石的,以及液体通过什么途径改变矿物质的成分并结合在样品中的理论。

尽管水占地球表面的 70%,但这种物质究竟是怎样到达我们星球的,仍然是一个长期争论的话题。 一些行星科学家认为,在我们星球的核心形成之后,陨石和彗星——来自寒冷的外太阳系的冰冷遗迹——提供了水,以及生命所必需的蛋白质组成部分。 其他人则认为,地球在 45 亿年前形成过程中从包裹着婴儿太阳并凝聚在一起形成我们星球的气体和尘埃中获得了水。

水有两种形式:由氢和氧组成的普通水和由氘(添加了中子的氢)和氧组成的重水。 确定陨石是否是陆地水的主要来源的一种方法是将岩石中这两种类型的相对丰度与地球表面上下水的相对丰度进行比较。 行星科学家已经测量了一些陨石的丰度,但需要检查更多的陨石。

中子和 X 射线图像有助于这些研究。 通过精确定位锁定在陨石内的矿物、金属和水沉积物的位置,这些图像可以指导研究人员怎样最好地切割岩石部分,以便他们可以测量这些丰度以及其他化合物的成分。

NIST 团队使用了 NIST 中子研究中心,这是美国仅有的三个中子束研究源之一。研究人员在 10 月份的 Meteoritics and Planetary Science 上报告了他们的研究。

拉曼纳说,该团队现在计划使用其双重成像技术来研究不太熟悉的陨石,以便首次详细绘制出它们的水和矿物质含量。