首次测出小行星表面样本中所含的水!

亚利桑那州立大学两名宇宙化学家首次测量出小行星Itokawa表面样本中所含的水。这些样本来自Itokawa小行星,由日本太空探测器隼鸟号收集。研究小组的发现表明,在地球历史早期,类似的小行星撞击地球,可能产生了地球一半的海水。亚利桑那州立大学地球和空间探索学院的博士后学者,5月1日发表在《科学进展》上的论文第一作者金紫良说:我们发现与太阳系内部物体的平均含量相比,检测样本含水更丰富。合著者助理教授迈特蕾伊?博斯(Maitrayee Bose)说:

日本宇宙航空研究开发机构愿意与一名美国调查员分享来自Itokawa的5颗微粒,这是一种荣幸,这也反映了我们学校的良好形象(博科园:真是舍得,送了5颗微粒,就联想到当年阿波罗登月美国送给中国的那丁点月壤(^?^*)),该团队在Itokawa样品中寻找水的想法让Hayabusa项目感到惊讶。在提出这个想法之前,没有人想到要寻找水,博斯很高兴地告诉大家,我们的直觉得到了回报。在这5颗微粒中,研究小组在其中的两颗中发现了矿物辉石。

对两颗粒的原始形貌进行了研究,图片:Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), edited by Z. Jin

在陆地样品中,辉石的晶体结构中含有水。研究人员怀疑Itokawa粒子可能也有水的痕迹,但他们想知道到底有多少。Itokawa有一段艰难的历史,包括加热、多重冲击、冲击和破碎。这将提高矿物质的温度,赶走水分。为了研究这些样本,研究小组使用了ASU的纳米级二次离子质谱仪(NanoSIMS),它可以非常灵敏地测量这些微小的矿物颗粒。纳米sims的测量结果显示,这些样品出人意料地富含水分。他们还指出,即使是像Itokawa这样名义上干燥的小行星,实际上也可能比科学家们想象含有更多的水。

支离破碎的世界

Itokawa是一颗花生形状的小行星,大约1800英尺长,700到1000英尺宽。它每18个月绕太阳一周,平均距离是地球到太阳距离的1.3倍。Itokawa的部分路径将其带入地球轨道,最远的时候,它会扫过火星的轨道。根据Itokawa在地球望远镜中的光谱,行星科学家将其归为S类。这将其与石质陨石联系在一起,石质陨石被认为是s型小行星在碰撞中破碎的碎片。s型小行星是小行星带中最常见的天体之一,它们最初形成于距离太阳三分之一到三倍地球距离的地方。尽管这些小行星很小,但保留了构成它们的水和其他挥发性物质。

有代表性太阳系内部物体中的水,资料来源:Z. Jin和M. Bose。数据来源:Hauri et al。

在结构上,Itokawa就像一对被压在一起的碎石桩。它有两个主裂片,每个裂片上布满了卵石,但总体密度不同,而裂片之间的区域较窄。Jin和Bose指出,今天的Itokawa是一具母体残骸,至少有12英里宽,曾经一度被加热到1000到1500华氏度。由于撞击,母体遭受了几次巨大的冲击,最后一次毁灭性的事件使其解体。之后两块碎片合并形成了今天的Itokawa,它在大约800万年前达到了现在的大小和形状。分析的粒子来自Itokawa的一个叫做缪斯海的地方,这是小行星上一个光滑、布满灰尘的区域。

Ziliang Jin(右)和Maitrayee Bose(左)将Itokawa样品装入ASU的NanoSIMS 50L仪器的高真空室。图片:M. Bose

虽然样本是在表面采集的,但我们不知道这些颗粒在原始母体中的位置。但我们最好的猜测是,曾被埋在100多米深的地方。尽管母体发生了灾难性的解体,样本颗粒暴露在表面的微陨石的辐射和撞击下,但矿物质仍然显示出水没有流失到太空的证据,此外这些矿物的氢同位素组成与地球没有什么区别。这意味着s型小行星和普通球粒陨石的母体可能是类地行星重要水源和其他一些元素。之所以能这么说,只是因为对返回的小行星再生岩样本(它们表面的灰尘和岩石)进行了原位同位素测量,这使得这些小行星成为勘探的优先目标。

寻找样品

博斯正如ASU建立一个清洁实验室设施,该设施将与NanoSIMS(部分由美国国家科学基金会资助)一起,成为公立大学中第一个能够分析太阳系其他天体尘埃颗粒的此类设施。日本的另一项任务“隼鸟2号”目前正在一颗名为“琉球”的小行星上,它将在那里收集样本,并于2020年12月带回地球。亚利桑那州立大学陨石研究中心主任米纳克什·瓦德瓦(Meenakshi Wadhwa)教授是“隼鸟2号”任务化学初步分析小组的成员。ASU也参与了美国宇航局的奥西里斯-雷克斯样本返回任务,该任务围绕着一颗名为Bennu的近地小行星运行。在其他仪器中,这艘飞船携带着奥西里斯-雷克斯热发射光谱仪(OTES):

由亚利桑那州立大学摄政学院的菲利普·克里斯坦森教授设计并在该校建造。奥西里斯霸王龙计划于2020年夏天从本奴收集样本,并于2023年9月带回地球。对于正在描绘太阳系形成过程的行星科学家和宇宙化学家来说,小行星是一个巨大资源。作为行星系统的剩余组成部分,它们在保存太阳系早期的物质的同时,彼此之间存在着巨大的差异,如果我们真的想对行星物体进行深入研究,采样返回任务是必须的。隼鸟号前往Itokawa的任务扩大了我们对帮助形成地球那些天体挥发性物质的了解。如果围绕其他恒星岩石系外行星也存在类似的产水机制,也就不足为奇了。

博科园-科学科普|研究/来自: 亚利桑那州立大学

参考期刊文献:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aav8106

博科园-传递宇宙科学之美