10 Minutės
Liquid water on Ryugu: a surprising, long-lived record
Multinacionalinė tyrėjų grupė, kurią sudaro ir Tokijo universiteto mokslininkai, praneša, kad net Ryugu artimojo Žemės orbitos asteroido pirminis kūnas turėjo migruojantį skystą vandenį daugiau nei milijardą metų po to, kai tas kūnas susiformavo. Įrodymų šaltinis – aukštos tikslumo izotopinių matavimų rezultatai, gauti iš menkų uolienos fragmentų, kuriuos grąžino JAXA misija Hayabusa2. Šie rezultatai paneigia iki šiol vyraujančią prielaidą, kad vandens sukeltas cheminis perdirbimas angliarūgščių (angl. carbonaceous) asteroidų paviršiuose buvo ribotas tik ankstyvaisiais Saulės sistemos etapais, ir turi reikšmingų pasekmių modeliams apie tai, kaip Žemė gavo savo vandenį.
Scientific background: why this matters for planetary formation
Suvokimas, kada ir kaip vanduo egzistavo mažose, organinėmis medžiagomis turinčiose uolienose (dažnai vadinamose angliarūgščiais asteroidais), yra kertinis klausimas planetų formavimosi tyrimuose. Tai liečia du pagrindinius klausimus: kaip ankstyvosios Saulės sistemos metu buvo perskirstytos lakiųjų junginių (vanduo, organinės medžiagos) atsargos ir kaip Žemė gavo pakankamai vandens, kad susiformuotų vandenynai ir atsirastų tinkamos gyvenimui sąlygos. Daug dešimtmečių modeliai darė prielaidą, kad vandens ir uolienos cheminis sąlytis – vadinamoji akvazinė alteracija – vyko daugiausia per pirmuosius kelioliką ar keliasdešimt milijonų metų po planetesimalų susiformavimo, kai trumpalaikiai radioaktyvieji izotopai ir jų skilimas generavo vidinį šilumos šaltinį.
Ryugu, kurį mėgino imti mėginių misija Hayabusa2 2018 m. ir vėliau grąžino į Žemę, yra reprezentatyvus tokio tipo angliarūgščių asteroidų pavyzdys. Manoma, kad jis susiformavo iš ledo ir dulkių Saulės sistemos išorinėje dalyje, todėl Ryugu ir jo pirminis kūnas tapo svarbiais taikiniais testuojant hipotezes apie vandens tiekimą į vidaus planetas, įskaitant Žemę. Šios uolienos veikia kaip laiko kapsulės: jų cheminė sudėtis ir izotopinė istorija gali atskleisti, kada ir kokiomis sąlygomis buvo mobilizuotas vanduo, – svarbus aspektas, siekiant suprasti tiek vietinius asteroidų procesus, tiek platesnę planetų evoliuciją.
Method and discovery: isotopic clues of late fluid flow
Tyrimo branduolį sudaro detalaus lutecio (Lu) ir hafnio (Hf) izotopų santykių matavimai. Geologijoje radionuklidinės sistemos, pavyzdžiui 176Lu–176Hf, naudojamos tiek kaip geochronometrai (laikotarpio nustatymui), tiek kaip cheminio perdarymo sekimo priemonės. 176Lu radioaktyviai skyla į 176Hf, todėl natūraliu būdu susiformavusios uolienos parodo tam tikrus santykius, kuriuos galima interpretuoti geologinių įvykių kontekste. Tyrėjų grupė nustatė netikėtai aukštus 176Hf/176Lu santykius keliuose mėginių fragmentuose, t. y. perteklinę Hf dalį santykyje su Lu, palyginti su to, ko būtų tikėtasi iš pirminės kondensacijos ir vėlesnio izotopinio brandinimo modelių.
Geriausiai paaiškinantis paaiškinimas – skysta fazė mobilizavo ir selektyviai išplovė lutetį iš uolienos veikiamų mineralų. Tokiu atveju likęs kietasis likutis akumuliuoja santykinį hafnio perteklių. Šią hipotezę patvirtina ne tik izotopinis disbalansas, bet ir mikrostruktūriniai požymiai, tokių kaip vinių ir porų cheminis pakitimas, kuriuos galima susieti su tekėjusio skysčio cheminiu poveikiu.
Siekiant išgauti patikimą signalą iš itin nedidelio kiekio medžiagos, tyrėjai taikė pažangias „švarios“ laboratorinės cheminės išskyrimo procedūras ir itin jautrią masių spektrometriją. Vieno analizės bandinio medžiagos kiekis dažniausiai siekė tik kelias dešimtis miligramų, todėl dėl Hayabusa2 grąžinto riboto bendro mėginių kiekio (vos keletas gramų) buvo sukurti specialūs atskyrimo metodai, maksimaliai taupant elementų išeigą ir užtikrinant izotopinę tikslumą. Tokios procedūros leido atlikti kelis izotopinius matavimus ant tų pačių mikroskopinių fragmentų, taip išsaugant kontekstą ir leidžiant atlikti kryžminius patikrinimus tarp skirtingų chronometrinių sistemų.
„Mes atradome natūralų, nesugadintą vandens aktyvumo įrašą, kuris įvyko daug vėliau, nei įprastai numatoma modeliuose,“ teigė doc. Tsuyoshi Iizuka (Žemės ir planetų mokslo katedra, Tokijo universitetas). „Lu–Hf sistema šiose grūdeliuose buvo sutrikdyta vėluoju skysčio įvykiu – tikėtina, kad tai įvyko po smūgio, kuris sutrūkinėjo pirminį kūną ir ištirpdė anksčiau uždengtą ledą.“
Impact-triggered melting: a plausible trigger
Tyrėjų siūlomas scenarijus yra toks: reikšmingas smūgis į Ryugu didesnės masės pirminį kūną suardė uolienas ir lokaliai pakėlė temperatūrą tiek, kad uždegė arba ištirpdė po paviršiumi buvusį ledą. Ištirpusio ledo vanduo prasiskverbė per susidariusias skilimo zonas, venas ir poras, todėl tekėdamas reagavo su mineralais – pakeitė jų cheminę sudėtį, ištirpdė tam tikrus elementus (pvz., Lu), o kitus paliko labiau koncentruotus likučiuose (pvz., Hf). Toks procesas aiškiai paaiškina tiek izotopinį sutrikimą, tiek interpretaciją, kad skysta fazė pasirodė gerokai vėliau už pirminį formavimąsi.
Svarbus šio modelio aspektas yra laikas: kadangi isotopiniai duomenys rodo vėlesnę veiklą, reikia manyti, jog ledas galėjo išlikti nepažeistas ir prieinamas tirpimui milijardą metų ar ilgiau. Tai reiškia, kad tam tikros asteroidų grandinės, susidariusios iš šaltos išorinės Saulės sistemos medžiagos, galėjo išsaugoti lakiuosius komponentus kur kas ilgesnį laiką, nei buvo manyta. Tokia trukmė leidžia, pavyzdžiui, kad po kelių pavienių nuolaužų ir suardymų į Žemę patektų objektai, turintys sanitarinę „krizę“ su didesniu vandens kiekiu nei tradiciniai akrecijos modeliai numatė.
Diagrama, vaizduojanti, kaip tyrėjai mano, vyko Ryugu evoliucija per bent milijardą metų. Pavaizduota tiek pirminė kondensacija, tiek vėlesni smūgio sukeliami tirpimai ir skysčių migracija. Autoriai: 2025 Iizuka ir kt. CC-BY-ND
Implications for Earth's water and volatile budgets
Jei Ryugu pirminis kūnas išlaikė ledą tokiam ilgam intervalui, tai reiškia, jog ir kitos panašios angliarūgščių grupės uolienos galėjo išsaugoti lakiuosius junginius ilgiau, nei iki šiol buvo manoma. Tyrėjų komanda pateikė skaičiavimus, pagal kuriuos Ryugu tipo smogiamieji objektai galėjo tiekti į ankstyvąją Žemę du–tris kartus daugiau vandens, nei dažniausiai įvertina standartiniai akrecijos modeliai. Tokia padidinta vandens tiekimo dalis pakeistų skaičiavimus apie ankstyvųjų vandenynų tūrį, atmosferos cheminę evoliuciją ir paviršiaus tinkamumo gyvybei atsiradimo laikotarpį.
Tai taip pat reiškia, kad pirminių planetinių kūnų „lakiųjų inventorius“ – t. y. kiek ir kokių lakiųjų dujų bei junginių jie turėjo nuo pat pradžių – galėjo būti drėgnesnis negu manyta. Dėl to modeliai, skaičiuojantys ankstyvąją klimato dinamiką, geochemines slenksčių ribas ir gyvybės cheminių pradmenų koncentruotes, gali reikėti peržiūrėti. Kitaip tariant, jei sudedamųjų elementų blokai (planetary building blocks) buvo drėgnesni, keičiasi pradinės sąlygos – tai turi pasekmių visiems gaubtantiems klausimams apie Žemės ir panašių planetų evoliuciją.
„Šis radinys verčia mus iš naujo peržiūrėti vidaus planetų pradinių lakiųjų atsargų vertinimus,“ pridūrė Iizuka. „Jei statybiniai blokeliai buvo drėgnesni, tai modifikuoja ribines sąlygas, kurias naudojame modeliuodami ankstyvą Žemės klimatą ir gyvybės kilmę.“
Mission and technique details
Hayabusa2 buvo pirmoji misija, kuri parvežė mėginius iš primityvaus, angliarūgščio asteroido artimoje Žemės orbitoje, todėl atvėrė nepakartojamas galimybes laboratorinei geochemijai. Tokie grąžinti mėginiai leidžia panaudoti sudėtingas, jautrias ir svorio bei tūrio atžvilgiu imlias analizes, kurių negalima būtų pilnai įdiegti kosminiuose aparatuose. Kadangi bendra mėginių masė buvo nedidelė, kiekvieną ištyrimą reikėjo kruopščiai optimizuoti, derinant medžiagos taupymą su izotopiniu tikslumu ir erdviniu kontekstu.
Tyrėjų naudojamos inovacijos apėmė mažai prarandančias chemines atskyrimo procedūras, leidusias vienu metu atlikti kelias izotopines sistemas ant tų pačių mikroskopinių fragmentų. Tai išsaugojo kontekstą (t. y. žinią apie tai, iš kurios uolienos dalies kilęs fragmentas) ir suteikė galimybę atlikti kelių chronometrinių sistemų tarpusavio patikrinimus. Be to, taikyti metodai užtikrino, kad cheminės frakcijos nebūtų užterštos laboratorinėmis ar ekstrakcinėmis priemonėmis – ypač svarbu dėl jautrių Lu–Hf santykių.
Ateities darbai orientuoti į fosfato venų (phosphate veins) ir kitų mikrostruktūrų datavimą Ryugu medžiagoje, kad būtų galima tiksliau nustatyti vėlyvųjų skysčių epizodų laiką bei apriboti tokias sąlygas kaip temperatūra, pH ir skysčio sudėtis. Planuojamos analizės apima ne tik Lu–Hf sistemą, bet ir kitas sistemines poras (pvz., U–Pb fosfatuose), taip pat mikrostruktūrinę petrograpiją, fluidinių inkliuzijų tyrimus ir stabiliojo izotopo analizę, kuri padės rekonstruoti skysčio kilmę ir cheminę savybę. Palyginimai su NASA OSIRIS-REx mėginiais iš Bennu leis patikrinti, ar ilgalaikė akvazinė aktyvacija yra dažnas bruožas tarp angliarūgščių artimojo Žemės orbitos asteroidų, ar išskirtinė Ryugu linijai.
Ryugu vardas kilęs iš japonų liaudies pasakos apie magišką povandeninį rūmą — simboliškai tinka: Ryugu realiame pasaulyje taip pat pasirodo esantis „vandens rūmai“. Paveikslėlis ir duomenys: JAXA, UTokyo & bendradarbiai CC-BY-ND
Expert Insight
Dr. Maya Alvarez, planetų geochemikė (fikcinė), komentavo: „Rasti įrodymų, kad skystas vanduo migruodavo per asteroidą daugiau nei milijardą metų po jo susiformavimo, yra išskirtinis radinys. Tai rodo, jog lakiųjų medžiagų išsaugojimas mažose uolienose gali trukti kur kas ilgiau tam tikromis sąlygomis, nei iki šiol manyta. Tokie rezultatai koreguoja mūsų supratimą apie lakiųjų junginių tiekimą planetoms ir pabrėžia mėginių parvežimo vertę – laboratoriniai instrumentai Žemėje vis dar pranoksta in situ esančius prietaisus savo jautrumu ir galimybėmis.“
Next steps and future prospects
Tolimesni planuojami veiksmai apima aukštos tikslumo fosfato venų datavimą, mikrostuktūrinę petrograpiją, fluidinių inkliuzijų analizę bei izotopinių sistemų (pvz., Lu–Hf, U–Pb) kryžminį lyginimą, siekiant trianguliuoti laiką ir pobūdį skysčių epizodų. Šie išsamūs tyrimai padės nustatyti, ar skystis buvo lokalaus pobūdžio (tik veikiantis paviršinėse venose), ar veikė platesnėmis mastais per didesnes kūno dalis. Be to, stabiliojo deguonies, vandenilio ir anglies izotopai gali atskleisti skysčio kilmę – ar tai buvo vidiniai tirpalai ištirpinto ledo, ar mišiniai šaltiniai, apimantys tarpžvaigždines tėkmės medžiagas.
Investavimas į laboratorinę geochemiją, pažangius instrumentus ir tarptautinį bendradarbiavimą yra esminis tolimesniems proveržiams. Mėginių parvežimo misijos, tokios kaip Hayabusa2 ir OSIRIS-REx, suteikia etaloninius eksponatus, leidžiančius testuoti ir tobulinti planetinės evoliucijos modelius. Palyginus duomenis iš skirtingų asteroidų, mokslininkai galės nustatyti, ar Ryugu istorija yra tipinė ar išimtis tarp angliarūgščių artimojo Žemės orbitos objektų.
Conclusion
Lu–Hf izotopiniai duomenys iš Hayabusa2 parvežtų Ryugu mėginių atskleidžia, kad skystas vanduo per bent kai kurias pirminio kūno dalis tekėjo daugiau nei milijardą metų po jo susidarymo. Šis atradimas priverčia iš naujo peržiūrėti lakiųjų medžiagų išsaugojimą ir tiekimą ankstyvajame Saulės sistemos evoliucijos etape, o taip pat rodo, kad angliarūgščiai asteroidai galėjo reikšmingai prisidėti prie Žemės vandens atsargų. Tolimesni mikroskopiniai tyrimai ir palyginimai su Bennu medžiaga padės tiksliau nustatyti laiką ir mechanizmus, kuriais mažesni kūnai kaupė, mobilizavo ir perdavė vandenį į vidaus planetas.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą