太阳系形成之前、之中和之后发生了什么? 小行星龙宫研究给出了答案

几个具有代表性的Ryugu粒子的外观。 图片来源:Nakamura, E. 等人。

日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 的隼鸟 2 号任务将未受污染的原始小行星样本送回地球。 对来自小行星 Ryugu 的 16 个粒子的综合分析揭示了对太阳系形成之前、期间和之后运行过程的许多见解,其中一些仍在塑造当今小行星的表面。

元素和同位素数据显示,龙宫含有迄今已确定的最原始的太阳前星云(一个古老的气体和尘埃盘,围绕着将成为太阳的东西)物质,并且一些有机物质可能是在太阳系形成之前继承下来的。 在确定的有机材料中,氨基酸是地球上所有生物中蛋白质的组成部分。 在未受污染的小行星样本中发现形成蛋白质的氨基酸表明,像 Ryugu 这样的小行星可能已经为地球播下了生命起源所需的原材料。

此外,Ryugu 样本提供了物理和化学证据,表明 Ryugu 起源于太阳系外的一个大型(至少几十公里)冰体,该冰体经历了水性变化(涉及液态水的复杂化学反应)。 然后将冰冷的物体分解成彗星状的碎片(几公里大小)。 该碎片通过冰的升华演变为今天观察到的干燥多孔小行星。 随后,空间风化,包括来自太阳和遥远恒星的粒子对小行星的轰击,改变了表面材料,例如有机物质,使材料具有独特的反照率(反射特性),从而定义了小行星目前的外观。

小行星和彗星代表围绕太阳运行的行星形成后留下的物质。 这些天体最初会在最终成为太阳(原太阳)的巨大气体和尘埃盘(原太阳星云)中形成,因此可以保存有关太阳系这一时期运行过程的线索。

原太阳星云会以最快的速度向其中心旋转,这会将大部分物质集中在该区域内。 然后一些物质开始落到原太阳表面,增加了它的温度。 原太阳的较高温度会导致辐射输出增加,这可能导致内部太阳系内的物质发生光蒸发(光能引起的蒸发)。

后来,随着内部太阳系的冷却,新材料以不同的成分凝结成以前存在的东西。 最终,这些材料会粘在一起形成大型天体(小行星),然后这些天体会因碰撞而破裂,其中一些会形成 S 型小行星。 一颗 S 型小行星(糸川)是隼鸟 2 号的前身隼鸟任务的目标。 返回地球的样本揭示了许多关于此类小行星的信息,包括它们的表面怎样受到持续的小撞击的影响,并证实了通过地球上的望远镜进行的识别。

Haybusa2 瞄准了一种非常不同类型的小行星 C 型,它与 S 型不同,它保留了更多的原始外太阳系物质,受原太阳加热的影响要小得多。 来自隼鸟 2 号航天器的初始地球望远镜和遥感信息表明,龙宫可能含有有机物和少量水(粘在矿物表面或包含在其结构中)。

然而,使用这种方法研究 C 型小行星非常困难,因为它们非常暗,并且得到的数据几乎没有可用于识别特定材料的信息。 因此,样本返回代表了提高我们对 C 型小行星理解的非常重要的一步。 2020 年 12 月,大约 5.4 克样品返回地球,这些样品最初是在日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 位于日本相模原的第一阶段管理设施进行研究的。 一旦样品到达日本冈山大学行星材料研究所野鸡纪念实验室 (PML) 的第二阶段管理设施,综合地球化学分析就于 2021 年 6 月开始。

最初,获得了样品的外部和物理信息,但在使用配备金刚石刀的切片机切开颗粒后不久。 在内部,这些颗粒显示出表明冻融的纹理和不同矿物的细粒质量,一些粗粒成分分散在各处。 大多数矿物是称为页硅酸盐(粘土)的含水硅酸盐,它是通过涉及非含水硅酸盐矿物和液态水(水蚀变)的化学反应形成的。 连同冻融纹理一起,证据表明样品在过去经历过液态水和冰冻水。


Ryugu粒子的代表性部分的内部特征。 图片来源:Nakamura, E. 等人。

通过分析磁铁矿(氧化铁)和白云石(碳酸钙镁)矿物中的锰和铬,发现水蚀变在太阳系形成后约 2.6 Myr 之前达到峰值。 这意味着来自 Ryugu 的材料在太阳系历史的早期就经历了液态水,融化冰的热量将由只能在相对较短的时间内存活的放射性元素提供(几乎所有东西都会在 5 Myr 之后消失) )。

在大部分放射性元素衰变后,身体会再次冷却并冻结。 Ryugu 还含有铬、钙和氧同位素,这表明它保存了来自原太阳星云的最原始的物质来源。 此外,来自 Ryugu 的有机材料记录了原始同位素特征,表明它们是在星际介质(太阳系之间的空间区域)或外原太阳星云中形成的。 再加上丰富的水和缺乏任何内部太阳系材料或特征,上述发现表明,Ryugu 内部的材料在太阳系外很早就粘在一起(吸积)并发生了水变化。

然而,为了形成液态水,通过放射性衰变加热岩石冰冷的物体,要求物体至少有几十公里的大小。 因此,龙宫最初一定是一个更大的天体的一部分,被称为小行星。 冰冷的小行星被认为是彗星的来源,彗星可以通过它们的碰撞破裂形成。 如果龙宫的星子前身在重新冻结后受到撞击,那么就可以产生一颗保留了该星子许多原始纹理和物理化学特性的彗星。

作为一颗彗星,碎片需要通过某种动力路径从外太阳系移动到内太阳系,包括行星之间的相互作用。 一旦进入内太阳系,Ryugu 就会经历显着的升华(固体冰向气体的转变)。 先前研究中的建模表明,升华可以增加 Ryugu 旋转的速率并导致其独特的旋转陀螺形状。 升华还可能导致形成水蒸气射流(如彗星 67P 上所见),这些射流会将地下物质重新沉积到表面并将其冻结在适当的位置。

此外,射流或许能够解释获得 Ryugu 样本的采样点之间的一些有趣差异。 隼鸟 2 号任务从接地点 1 (TD1) 的表面采集材料,最有可能从接地点 2 (TD2) 的人工撞击坑中采集地下材料。 一些 TD1 样品显示出超出毫米级的元素分馏和分散的 B 和 Be 丰度。 然而,所有 TD2 样本都记录了与 CI 球粒陨石(一种元素丰度与太阳相似的陨石)相似的元素丰度,并且没有显示出毫米级元素分馏的证据。 一种解释是,TD1 站点记录了射流中夹带的物质,这些物质从地下的许多不同区域带到彗星状碎片的表面,因此代表了各种各样的成分。 同时,TD2 样品可能代表来自 Ryugu 一部分的材料,因此具有更均匀的成分。

太阳系形成之前、之中和之后发生了什么? 最近对小行星龙宫的研究给出了答案!
概述导致当今 Ryugu 形成和演变的过程。 图片来源:Nakamura, E. 等人。

龙宫表面的冰完全升华后,形成了低密度、高孔隙度的岩石小行星。 当与水有关的过程停止时,太空风化开始了。 随着时间的推移,龙宫的表面受到来自太阳风的大量高能粒子以及来自太阳和遥远恒星的宇宙射线的轰炸。 粒子改变了龙宫表面的材料,导致有机物的结构发生变化。 与来自 TD2 的粒子相比,这种过程的影响在来自龙宫表面的 TD1 粒子中更为明显,TD2 粒子很可能是在制造人工撞击坑期间被带到地表的。 因此,太空风化是一个今天仍在塑造小行星表面的过程,并将在未来继续如此。

尽管空间风化作用会改变和破坏有机物质中包含的信息,但通过对 Ryugu 样品的综合地球化学分析也检测到原始有机物质。 在 Ryugu 粒子中检测到氨基酸,例如在地球上每个生物体的蛋白质中发现的氨基酸。 发现形成蛋白质的氨基酸很重要,因为 Ryugu 没有像陨石一样暴露于地球的生物圈,因此它们的检测证明至少有一些地球上生命的组成部分可能是在太空环境中形成的。

关于生命起源的假设,例如涉及热液活动的假设,需要氨基酸来源,陨石和像 Ryugu 这样的小行星代表了强有力的候选者,因为它们的氨基酸库存量很大,而且这些材料很容易被运送到地表。早期地球。 此外,Ryugu 样本的同位素特征表明,类似 Ryugu 的材料可能为地球提供了水,这是地球上生命起源和维持所必需的另一种资源。

结合该研究报告的发现,对影响人类采样的最原始小行星的过程提供了宝贵的见解。 这些见解已经开始改变我们对从太阳系之前到今天发生的事件的理解。 Ryugu 样本的未​​来工作无疑将继续推进我们对太阳系及其他领域的了解。

该研究发表在《日本科学院院刊》上。