Изследователите използват лъчи от мюони, за да анализират елементарния състав на пробите от астероид Рюгу


Изследователите са използвали лъчи от мюони, за да анализират елементния състав на пробите от астероид Рюгу

(вляво) Мюонна рентгенова снимка, създадена след като мюон е уловен от облъчен материал, и (вдясно) проба от астероида Рюгу. Кредит: (ляво изображение) Екип за анализ на мюони, (дясно изображение) JAXA

Елементният състав на каменни проби, върнати на Земята от астероид Рюгу, е анализиран с помощта на изкуствено генериран мюонен лъч от ускорителя на частици в J-PARC. Изследователите откриха редица важни елементи, необходими за поддържане на живота, включително въглерод, азот и кислород, но също така откриха, че изобилието на кислород спрямо силиция в астероид Рюгу е различно от всички метеорити, които са открити на Земята, съобщава ново проучване в Наука.

През 2014 г. безпилотният изследовател на астероиди Hayabusa 2 беше изстрелян в космоса от Японската агенция за аерокосмически изследвания (JAXA) с мисия да върне проби от астероид Ryugu, астероид от тип C, за който изследователите смятаха, че е богат на въглерод. След успешно кацане на Ryugu и събиране на проби, Hayabusa 2 се върна на Земята през декември 2020 г. с непокътнати проби.

От 2021 г. изследователите провеждат първите анализи на пробите, ръководени от професора Шого Тачибана от университета в Токио. Разделени на няколко екипа, изследователите са изучавали пробите по различни начини, включително форми на камъни, разпределение на елементите и минерален състав.

В това проучване, ръководено от професор Томоки Накамура от университета Тохоку, професор Тадаюки Такахаши и аспирант Шунсаку Нагасава от Института за физика и математика на Вселената Кавли (Kavli IPMU), Университет на Токио, в сътрудничество с Изследователската организация за високоенергийни ускорители (KEK) Институт за наука за структурата на материалите, Университет Осака, Японска агенция за атомна енергия (JAEA), Университет Киото, Международен християнски университет, Институт за космически и астронавтически науки (ISAS) и Университет Тохоку, са приложили методи за елементен анализ, използващи отрицателни мюони, елементарни частици произведени от ускорителя в J-PARC.

Те приложиха метода на елементен анализ, използвайки отрицателни мюони към камъни от астероида Рюгу, като успяха да определят без разрушаване техния елементен състав.

Изследователите са използвали лъчи от мюони, за да анализират елементния състав на пробите от астероид Рюгу

Изработената по поръчка експериментална настройка е разработена, за да се избегне замърсяването на пробите от земната атмосфера. Вътрешността е пълна с хелиев газ, а камерата е облицована с чиста мед, за да се минимизира фоновият шум. Кредит: Екип за анализ на мюони

Това беше важно, защото ако астероидите в Слънчевата система бяха построени в началото на формирането на самата Слънчева система, тогава те все още биха задържали информация за средната елементен състав по това време и следователно на цялата слънчева система.

Анализ на метеорити, паднали на Земята, е бил извършен в миналото, но е възможно тези проби да са били замърсени от земната атмосфера. Така че до Хаябуса 2 никой не знаеше със сигурност какъв е химическият състав на астероида.

Но изследователите са изправени пред предизвикателство. Поради ограниченото количество проби и големия брой други изследователи, които искат да ги изследват, те трябваше да намерят начин да проведат своите анализи, без да ги повредят, така че пробите да могат да бъдат предадени на други групи.

Екипът е разработил нов метод, който включва изстрелване на квантов лъч, или по-специално лъч от отрицателни мюони, произведени от един от най-големите в света високоенергийни ускорители на частици J-PARC в префектура Ибараки, Япония, за идентифициране на химичните елементи на чувствителни проби, без да ги счупите.

Изследователите са използвали лъчи от мюони, за да анализират елементния състав на пробите от астероид Рюгу

Мюонно рентгеново спектрално сравнение на проба от астероид Ryugu и CI хондрит Orgueil. Кредит: Екип за анализ на мюони

Такахаши и Нагасава след това прилагат техники за статистически анализ в експерименти с рентгенова астрономия и физика на елементарните частици, за да анализират мюонни характеристични рентгенови лъчи.

Мюоните са едни от елементарните частици във Вселената. Способността им да проникват по-дълбоко в материалите от рентгеновите лъчи ги прави идеални за анализ на материали. Когато отрицателен мюон бъде уловен от облъчената проба, се образува мюонен атом. Мюонните рентгенови лъчи, излъчвани от новите мюонни атоми, имат висока енергия и така могат да бъдат открити с висока чувствителност. Този метод беше използван за анализ на пробите от Ryugu.

Но имаше и друго предизвикателство. За да предпазят пробите от замърсяване от земната атмосфера, изследователите трябваше да предпазят пробите от контакт с кислород и вода във въздуха. Поради това те трябваше да разработят експериментална настройка, поставяйки пробата в камера с хелиев газ. Вътрешните стени на камерата бяха облицовани с чиста мед, за да се сведе до минимум фоновият шум при анализиране на пробите.

През юни 2021 г. 0,1 грама астероид Ryugu бяха докарани в J-PARC и изследователите проведоха своя мюонен рентгенов анализ, който създаде енергиен спектър. В него те откриха елементите, необходими за производството на живот, въглерод, азот и кислород, но също така откриха, че пробата има състав, подобен на този на астероидите от въглероден хондрит (CI хондрит), които често се наричат ​​стандарт за твърди вещества в слънчевата система. Това показа, че камъните Ryugu са едни от най-ранните камъни, образувани в нашата слънчева система.

Изследователите са използвали лъчи от мюони, за да анализират елементния състав на пробите от астероид Рюгу

Сравнение на елементния състав на проба от астероид Ryugu и CI хондрит Orgueil (K. Lodders, The Astrophysical Journal, 591, 1220-1247, 2003). Кислородната рентгенова снимка показва, че изобилието на кислород в пробата Ryugu спрямо силиция е по-малко в сравнение с CI хондрит. Кредит: Екип за анализ на мюони

Въпреки това, въпреки че е подобен по състав на CI хондритите, изобилието на кислород в пробата Ryugu спрямо силиция е с около 25 процента по-малко от това на CI хондрита. Изследователите казват, че това може да означава, че излишъкът от кислород спрямо силиция в CI хондритите може да е дошъл от замърсяване, след като са навлезли в земната атмосфера. Камъните Ryugu могат да поставят нов стандарт за материята в Слънчевата система.


Прашинки от астероид Рюгу, по-стар от нашата слънчева система


Повече информация:
Т. Накамура, Образуване и еволюция на въглероден астероид Рюгу: Преки доказателства от върнати проби, Наука (2022). DOI: 10.1126/science.abn8671. www.science.org/doi/10.1126/science.abn8671

Предоставено от Института за физика и математика на Вселената Kavli

Цитат: Изследователите използват лъчи от мюони, за да анализират елементния състав на проби от астероид Рюгу (2022 г., 22 септември), извлечени на 22 септември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-09-muons-elemental-composition-asteroid-ryugu. html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.