Чуть больше года назад японский космический аппарат Hayabusa2 сбросил на Землю ценный и долгожданный груз — капсулу с образцами грунта астероида Рюгу. В конце декабря 2021 года две группы учёных представили первые результаты анализа этих кусочков космического тела, возраст которого сравним с возрастом Солнечной системы. Что им удалось выяснить и как это поможет в дальнейших исследованиях — читайте в нашей статье.
Астероиды образовались на ранних этапах формирования Солнечной системы, предположительно из протопланетного диска, окружающего молодое Солнце. Однако у них не было возможности стать планетами, во многом благодаря зарождающемуся Юпитеру.
Поскольку астероиды формировались в разных областях нашей планетной системы, они обладают и разными составами: по мере удаления от Солнца содержание силикатов в протопланетном диске уменьшалось, а летучих веществ — увеличивалось. Наиболее распространённый тип астероидов — астероиды С-класса, населяющие внешнюю часть Главного пояса. Они богаты углеродом, водой и летучими соединениями.
Астероиды С-класса, вероятно, представляют собой древнейшие небесные тела, образовавшиеся в Солнечной системе. Это значит, что они могут содержать в себе материал первоначального облака газа и пыли, из которого образовались Солнце и планеты. Изучение состава этих астероидов поможет понять, на что была похожа ранняя Солнечная система. Также по одной из версий считается, что астероиды С-класса и кометы в ходе столкновений с Землёй доставили на нашу планету воду и органические вещества, что и привело к возникновению жизни.
До недавних пор основную информацию об астероидах учёные получали с помощью наблюдений наземных телескопов и космических аппаратов, а также изучения упавших на Землю метеоритов, которые считаются кусочками астероидов. В первом случае астрономы проводят дистанционный спектральный анализ небесных тел, оценивают их отражательную способность (альбедо) и фотографируют поверхность, чтобы узнать состав астероидов. Во втором случае учёные исследуют вещество метеоритов, которое претерпевает определённые изменения в ходе прохождения сквозь атмосферу Земли. Однако эти способы исследования не дают полной информации об астероидах.
Единственная возможность тщательно изучить вещество астероидов напрямую — собрать образцы в космосе и доставить их на Землю. Первую попытку астрономы предприняли ещё в 2003 году, когда запустили космический аппарат Hayabusa к околоземному астероиду S-класса Итокаве. Однако из-за программных сбоев учёным удалось тогда получить лишь небольшое количество астероидной пыли. Тем не менее, результаты её исследований были плодотворными.
Следующим объектом для сбора образцов стал другой околоземный астероид, но теперь С-класса — Рюгу. К нему в 2014 году направили космический аппарат Hayabusa2. Рюгу старше Итокавы и содержит больше органических веществ и воды. Из всех метеоритов, обнаруженных на Земле, наиболее близкими к астероидам С-класса считаются углеродистые хондриты.
Hayabusa2 прибыл к Рюгу в 2018 году. Пробыв на орбите вокруг астероида полтора года, космический аппарат совершил несколько сложных операций: сбросил на поверхность Рюгу два прыгающих модуля и спускаемый аппарат MASCOT, а также дважды совершил забор проб грунта. В первый раз Hayabusa2 выстрелил в астероид танталовой пулей, а затем собрал часть разлетевшихся обломков. Во второй раз станция вначале сбросила на Рюгу медный снаряд со взрывчаткой, в результате чего образовался рукотворный кратер диаметром 15 метров. Затем космический аппарат снизился над ним, снова выстрелил и собрал обломки.
Это позволило получить образцы вещества астероида, которые лежали на его поверхности и входили в состав приповерхностного слоя грунта, не подверженного воздействию космической среды. Именно эти частицы и представляют наибольший интерес для астрономов. В июле 2019 года Hayabusa2 собрал обломки, оставшиеся после взрыва, а через полгода доставил их на Землю в герметичном контейнере внутри возвращаемой капсулы.
В общей сложности космическому аппарату удалось собрать 5,4 грамма грунта. Это может показаться несущественным для астероида шириной в 900 метров, однако количество полученного материала более чем в 50 раз превзошло ожидания учёных: они надеялись получить лишь 100 миллиграммов.
Размеры самых крупных частиц грунта составляют около 8 миллиметров в поперечнике, самых маленьких — менее 1 миллиметра. Во время исследований учёные хранили материал в вакууме или в атмосфере чистого азота, чтобы исключить влияние на него земной атмосферы.
Одна группа учёных проанализировала структуру полученных образцов астероида, другая — их химико-минералогический состав. Точный возраст вещества астероида пока неизвестен, но ожидается, что учёные смогут определить его в будущих исследованиях.
Вещество Рюгу оказалось чрезвычайно пористым — около 46%. Это соответствует результатам дистанционных наблюдений Hayabusa2 и данным спускаемого модуля MASCOT.
Полученные образцы более пористые, чем любой метеорит, когда-либо найденный на Земле. Однако этому есть объяснение: такой пористый материал разрушился бы в атмосфере, прежде чем упасть на поверхность нашей планеты. Поэтому учёным доставались только самые плотные уцелевшие фрагменты вещества астероидов в виде метеоритов. Образцы же астероида Рюгу были надёжно защищены возвращаемой капсулой.
Высокая пористость грунта может указывать на повышенное содержание органических соединений по сравнению с упавшими на Землю метеоритами.
Учёные также измерили альбедо образцов: выяснилось, что они отражают только 2% падающего на них света. Это делает поверхность Рюгу самой тёмной среди остальных известных астероидов С-класса — их альбедо находится в промежутке от 3 до 9%. Даже асфальт отражает больше света — 4%.
Спектральный анализ образцов показал наличие углеродсодержащих соединений и признаки того, что материал подвергался воздействию воды. Кроме того, в составе образцов отсутствуют высокотемпературные компоненты, такие как хондры (силикатные образования) и включения, богатые кальцием и алюминием (CAI). Это говорит о том, что зёрна родительского тела Рюгу не подвергались воздействию высоких температур и формировались в более холодных внешних областях протопланетного диска.
Результаты исследования первой группы учёных указывают на то, что полученные образцы наиболее близки к углеродистым хондритам группы CI — самым примитивным из всех метеоритов, найденных на Земле. Их состав, в свою очередь, считается близким к составу газопылевого облака, из которого сформировалась Солнечная система. Однако частицы астероида оказались более тёмными, пористыми и хрупкими, чем CI-хондриты.
Вторая группа учёных провела спектральный анализ, с помощью которого выявила мелкие детали цвета, структуры и химического состава образцов астероида.
В них были найдены гидратированные минералы и органические соединения, а также карбонаты. Наиболее крупные из включений, размером от 0,1 до 0,4 миллиметра, богаты железом, в то время как более мелкие наоборот — обеднены им.
Ещё одной особенностью грунта стал широкий набор летучих соединений, богатых азотом и водородом. Источником первых могут быть глинистые минералы (филлосиликаты), гидратированные соли или азотистые органические вещества. Исследователи из второй команды тоже не обнаружили хондр или тугоплавких включений.
Результаты работы учёных сводятся к тому, что Рюгу довольно однороден в макроскопическом масштабе и близок к углеродистым хондритам типа CI, хотя и обладает своими особенностями. При этом образцы астероида стали одними из самых древних веществ, которые когда-либо изучались в лаборатории.
Дальнейшие исследования помогут понять, когда и как образовался астероид и как менялся со временем его минеральный состав. Это позволит пролить свет на эволюцию Солнечной системы.
А в это время космический аппарат NASA OSIRIS-REx направляется к Земле, чтобы доставить 400 граммов вещества другого околоземного астероида — Бенну. Аппарат собрал образцы в октябре 2020 года и доставит их к Земле в сентябре 2023 года. Если всё пройдёт успешно, учёные смогут ещё больше узнать о формировании нашей планетной системы.
Автор: Алина Нестерова
Источники: www.nature.com, www.nature.com, theconversation.com, www.livescience.com, phys.org, skyandtelescope.org, www.sciencealert.com