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Flüchtige und organische Substanzen reichhaltige C-Typ-Asteroiden könnten eine der Hauptquellen für Wasser auf der Erde sein. Kohlenstoffhaltige Chondrite liefern derzeit die besten Erkenntnisse über ihre chemische Zusammensetzung, doch die Informationen über Meteoriten sind verzerrt: Nur die widerstandsfähigsten Typen überstehen den Eintritt in die Atmosphäre und die anschließende Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre. Hier präsentieren wir die Ergebnisse einer detaillierten volumetrischen und mikroanalytischen Untersuchung des primären Ryugu-Partikels, der von der Raumsonde Hayabusa-2 zur Erde gebracht wurde. Ryugu-Partikel weisen eine hohe Übereinstimmung in ihrer Zusammensetzung mit chemisch unaufgetrennten, aber durch Wasser veränderten CI-Chondriten (Iwuna-Typ) auf, die häufig als Indikator für die Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems verwendet werden. Dieses Exemplar zeigt ein komplexes räumliches Verhältnis zwischen reichhaltigen aliphatischen organischen Verbindungen und Schichtsilikaten und deutet auf eine maximale Temperatur von etwa 30 °C während der Wassererosion hin. Wir fanden eine hohe Konzentration an Deuterium und Diazonium, die mit einem extrasolaren Ursprung übereinstimmt. Ryugu-Partikel sind das reinste und untrennbarste außerirdische Material, das jemals untersucht wurde, und passen am besten zur Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems.
Von Juni 2018 bis November 2019 führte die japanische Raumfahrtbehörde JAXA mit ihrer Raumsonde Hayabusa-2 eine umfassende Fernerkundung des Asteroiden Ryugu durch. Daten des Nahinfrarotspektrometers (NIRS3) an Bord von Hayabusa-2 deuten darauf hin, dass Ryugu aus einem Material bestehen könnte, das thermisch und/oder schockmetamorphen kohlenstoffhaltigen Chondriten ähnelt. Die größte Übereinstimmung zeigt der Chondrit CY (Yamato-Typ) 2. Ryugus niedrige Albedo lässt sich durch das Vorhandensein zahlreicher kohlenstoffreicher Komponenten sowie durch Partikelgröße, Porosität und räumliche Verwitterungseffekte erklären. Die Raumsonde Hayabusa-2 landete zweimal auf Ryugu und sammelte Proben. Bei der ersten Landung am 21. Februar 2019 wurde Oberflächenmaterial gewonnen und in Kompartiment A der Rückkehrkapsel gelagert. Bei der zweiten Landung am 11. Juli 2019 wurde Material in der Nähe eines künstlichen Kraters gesammelt, der durch einen kleinen tragbaren Impaktor erzeugt wurde. Diese Proben werden in Ward C aufbewahrt. Eine erste zerstörungsfreie Charakterisierung der Partikel in Phase 1 in speziellen, unkontaminierten und mit reinem Stickstoff gefüllten Kammern in von JAXA betriebenen Einrichtungen ergab, dass die Ryugu-Partikel den CI4-Chondriten am ähnlichsten sind und „unterschiedliche Variationsgrade“³ aufweisen. Die scheinbar widersprüchliche Klassifizierung von Ryugu, ähnlich den CY- oder CI-Chondriten, kann nur durch eine detaillierte isotopische, elementare und mineralogische Charakterisierung der Ryugu-Partikel aufgeklärt werden. Die hier präsentierten Ergebnisse liefern eine solide Grundlage, um zu bestimmen, welche der beiden vorläufigen Erklärungen für die Gesamtzusammensetzung des Asteroiden Ryugu am wahrscheinlichsten ist.
Acht Ryugu-Pellets (insgesamt ca. 60 mg), vier aus Kammer A und vier aus Kammer C, wurden Phase 2 zur Unterstützung des Kochi-Teams zugeteilt. Hauptziel der Studie ist die Aufklärung der Beschaffenheit, des Ursprungs und der Entwicklungsgeschichte des Asteroiden Ryugu sowie die Dokumentation von Ähnlichkeiten und Unterschieden zu anderen bekannten extraterrestrischen Proben wie Chondriten, interplanetaren Staubpartikeln (IDPs) und zurückkehrenden Kometen. Die Proben wurden von der NASA-Mission Stardust gesammelt.
Die detaillierte mineralogische Analyse von fünf Ryugu-Körnern (A0029, A0037, C0009, C0014 und C0068) ergab, dass diese hauptsächlich aus fein- und grobkörnigen Phyllosilikaten bestehen (ca. 64–88 Vol.-%; Abb. 1a, b, Abb. S1 und Tabelle S1). Grobkörnige Phyllosilikate treten als gefiederte Aggregate (bis zu mehreren zehn Mikrometern Größe) in feinkörnigen, phyllosilikatreichen Matrizen (Partikelgröße unter wenigen Mikrometern) auf. Die Schichtsilikatpartikel sind Serpentin-Saponit-Symbionten (Abb. 1c). Die (Si + Al)-Mg-Fe-Karte zeigt zudem, dass die Gesamtmatrix aus Schichtsilikaten eine intermediäre Zusammensetzung zwischen Serpentin und Saponit aufweist (Abb. 2a, b). Die Schichtsilikatmatrix enthält Karbonatminerale (ca. 2–21 Vol.-%), Sulfidminerale (ca. 2,4–5,5 Vol.-%) und Magnetit (ca. 3,6–6,8 Vol.-%). Eines der in dieser Studie untersuchten Partikel (C0009) enthielt eine geringe Menge (ca. 0,5 Vol.-%) wasserfreier Silikate (Olivin und Pyroxen), die zur Identifizierung des Ausgangsmaterials des Ryugu-Rohsteins beitragen könnten⁵. Dieses wasserfreie Silikat ist in Ryugu-Pellets selten und wurde nur im Pellet C0009 eindeutig identifiziert. Karbonate liegen in der Matrix als Fragmente (weniger als einige hundert Mikrometer) vor, hauptsächlich Dolomit, mit geringen Mengen an Calciumcarbonat und Brinell. Magnetit tritt als isolierte Partikel, Framboide, Plättchen oder kugelförmige Aggregate auf. Sulfide werden hauptsächlich durch Pyrrhotin in Form unregelmäßiger hexagonaler Prismen/Plättchen oder Leisten repräsentiert. Die Matrix enthält eine große Menge an submikronem Pentlandit oder in Kombination mit Pyrrhotin. Kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm Größe) treten ubiquitär in der phyllosilikatreichen Matrix auf. Kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm Größe) treten ubiquitär in der phyllosilikatreichen Matrix auf. Die meisten Bilder (Größe < 10 Minuten) werden regelmäßig in die Matrix der Fillossilikate eingefügt. Kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm Größe) treten ubiquitär in der phyllosilikatreichen Matrix auf.富含碳的相（尺寸<10 µm）普遍存在于富含层状硅酸盐的基质中。富含碳的相（尺寸<10 µm）普遍存在于富含层状硅酸盐的基质中。 Die neuesten Fotos (Größe < 10 Minuten) werden in eine leere Fillossilikatmatrix umgewandelt. In der phyllosilikatreichen Matrix überwiegen kohlenstoffreiche Phasen (<10 µm Größe).Weitere Begleitminerale sind in Tabelle S1 (im Anhang) aufgeführt. Die aus dem Röntgenbeugungsmuster der Mischung aus C0087, A0029 und A0037 ermittelte Mineralliste stimmt weitgehend mit derjenigen des CI-Chondriten (Orgueil) überein, weicht jedoch deutlich von derjenigen der CY- und CM-Chondrite (Mighei-Typ) ab (Abbildung 1 mit vergrößerten Daten und Abbildung S2 im Anhang). Der Gesamtelementgehalt der Ryugu-Körner (A0098, C0068) stimmt ebenfalls mit dem des Chondriten 6 CI überein (vergrößerte Daten, Abb. 2 und Tabelle S2 im Anhang). Im Gegensatz dazu weisen CM-Chondrite einen Mangel an mittel- und hochflüchtigen Elementen, insbesondere Mangan und Zink, und einen höheren Gehalt an hochschmelzenden Elementen auf. Die Konzentrationen einiger Elemente variieren stark, was auf die inhärente Heterogenität der Probe aufgrund der geringen Größe der einzelnen Partikel und der daraus resultierenden Stichprobenverzerrung zurückzuführen sein könnte. Alle petrologischen, mineralogischen und elementaren Eigenschaften deuten darauf hin, dass Ryugu-Körner den Chondriten CI8,9,10 sehr ähnlich sind. Eine bemerkenswerte Ausnahme bildet das Fehlen von Ferrihydrit und Sulfat in den Ryugu-Körnern, was darauf schließen lässt, dass diese Minerale in CI-Chondriten durch terrestrische Verwitterung entstanden sind.
a) Röntgenaufnahme des Trockenschliffs C0068, zusammengesetzt aus Mg Kα (rot), Ca Kα (grün), Fe Kα (blau) und S Kα (gelb). Die Fraktion besteht aus Schichtsilikaten (rot: ca. 88 Vol.-%), Karbonaten (Dolomit; hellgrün: ca. 1,6 Vol.-%), Magnetit (blau: ca. 5,3 Vol.-%) und Sulfiden (gelb: Sulfid = ca. 2,5 Vol.-%). b) Aufnahme des Konturbereichs in Rückstreuelektronen von a). Bru – unreif; Dole – Dolomit; FeS – Eisensulfid; Mag – Magnetit; juice – Speckstein; Srp – Serpentin. c) Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Aufnahme eines typischen Saponit-Serpentin-Verwachsungsgebiets mit Serpentin- und Saponit-Gitterbändern von 0,7 nm bzw. 1,1 nm.
Die Zusammensetzung der Matrix und des Schichtsilikats (Atomprozent) der Partikel Ryugu A0037 (rote Kreise) und C0068 (blaue Kreise) ist im ternären System (Si+Al)-Mg-Fe dargestellt. a) Ergebnisse der Elektronenstrahl-Mikroanalyse (EPMA) im Vergleich zu CI-Chondriten (Ivuna, Orgueil, Alais)¹⁶ (grau dargestellt). b) Raster-TEM- (STEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie-Analyse (EDS) im Vergleich zu den Meteoriten Orgueil⁹ und Murchison⁴⁶ sowie hydratisiertem IDP⁴⁷. Fein- und grobkörnige Phyllosilikate wurden analysiert, kleine Eisensulfidpartikel wurden vermieden. Die gestrichelten Linien in a) und b) zeigen die Auflösungslinien von Saponit und Serpentin. Die eisenreiche Zusammensetzung in a könnte auf submikronäre Eisensulfidkörner innerhalb der Schichtsilikatkörner zurückzuführen sein, was aufgrund der räumlichen Auflösung der EPMA-Analyse nicht ausgeschlossen werden kann. Datenpunkte mit einem höheren Si-Gehalt als der Saponit in b könnten durch das Vorhandensein von nanoskaligem, amorphem, siliziumreichem Material in den Zwischenräumen der Phyllosilikatschicht verursacht sein. Anzahl der Analysen: N=69 für A0037, N=68 für EPMA, N=68 für C0068, N=19 für A0037 und N=27 für C0068 für STEM-EDS. c, Isotopenkarte des Trioxypartikels Ryugu C0014-4 im Vergleich zu den Chondritwerten CI (Orgueil), CY (Y-82162) und Literaturdaten (CM und C2-ung)41,48,49. Wir haben Daten für die Meteoriten Orgueil und Y-82162 erhalten. CCAM ist eine Linie wasserfreier kohlenstoffhaltiger Chondritminerale, TFL eine Landgrenzlinie. d-, Δ¹⁷O- und δ¹⁸O-Karten des Ryugu-Partikels C0014-4, des CI-Chondriten (Orgueil) und des CY-Chondriten (Y-82162) (diese Studie). Δ¹⁷O_Ryugu: Der Δ¹⁷O-Wert von C0014-1. Δ¹⁷O_Orgueil: Mittlerer Δ¹⁷O-Wert für Orgueil. Δ¹⁷O_Y-82162: Mittlerer Δ¹⁷O-Wert für Y-82162. CI- und CY-Daten aus der Literatur 41, 48, 49 sind zum Vergleich ebenfalls dargestellt.
Die Massenisotopenanalyse von Sauerstoff wurde an einer 1,83 mg schweren Probe durchgeführt, die mittels Laserfluorierung aus granulärem C0014 extrahiert wurde (Methoden). Zum Vergleich wurden sieben Kopien von Orgueil (CI) (Gesamtmasse = 8,96 mg) und sieben Kopien von Y-82162 (CY) (Gesamtmasse = 5,11 mg) analysiert (Ergänzungstabelle 3).
Abbildung 2d zeigt eine deutliche Trennung der Δ¹⁷O- und δ¹⁸O-Werte zwischen den gewichtsgemittelten Partikeln von Orgueil und Ryugu im Vergleich zu Y-82162. Der Δ¹⁷O-Wert des Ryugu-Partikels C0014-4 ist höher als der des Orgueil-Partikels, trotz der Überlappung bei 2 Standardabweichungen. Ryugu-Partikel weisen höhere Δ¹⁷O-Werte auf als Orgueil-Partikel, was auf die terrestrische Belastung des Orgueil-Partikels seit seinem Fall im Jahr 1864 hindeuten könnte. Verwitterungsprozesse in der terrestrischen Umgebung¹¹ führen zwangsläufig zur Aufnahme von atmosphärischem Sauerstoff, wodurch die Gesamtanalyse näher an die terrestrische Fraktionierungslinie (TFL) rückt. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit den (bereits erwähnten) mineralogischen Daten, die zeigen, dass Ryugu-Körner keine Hydrate oder Sulfate enthalten, Orgueil-Körner hingegen schon.
Auf Grundlage der oben genannten mineralogischen Daten stützen diese Ergebnisse eine Assoziation zwischen Ryugu-Körnern und CI-Chondriten, schließen jedoch eine Assoziation mit CY-Chondriten aus. Dass Ryugu-Körner nicht mit CY-Chondriten assoziiert sind, die deutliche Anzeichen von Dehydratationsmineralogie aufweisen, ist rätselhaft. Orbitale Beobachtungen von Ryugu scheinen darauf hinzudeuten, dass es einer Dehydratation unterzogen wurde und daher wahrscheinlich aus CY-Material besteht. Die Gründe für diesen scheinbaren Unterschied bleiben unklar. Eine Sauerstoffisotopenanalyse weiterer Ryugu-Partikel wird in einer Begleitpublikation¹² vorgestellt. Die Ergebnisse dieses erweiterten Datensatzes sind jedoch ebenfalls mit der Assoziation zwischen Ryugu-Partikeln und CI-Chondriten vereinbar.
Mithilfe koordinierter Mikroanalysetechniken (Ergänzende Abb. 3) untersuchten wir die räumliche Verteilung von organischem Kohlenstoff auf der gesamten Oberfläche der fokussierten Ionenstrahlfraktion (FIB) C0068.25 (Abb. 3a–f). Die Feinstruktur-Röntgenabsorptionsspektren (NEXAFS) des Kohlenstoffs im Bereich nahe der Absorptionskante in Abschnitt C0068.25 zeigen mehrere funktionelle Gruppen – aromatische Gruppen oder C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH (287,5 eV) und C(=O)O (288,8 eV). Die Graphenstruktur fehlt bei 291,7 eV (Abb. 3a), was auf eine geringe thermische Variation hindeutet. Der ausgeprägte CH-Peak (287,5 eV) der organischen Bestandteile von C0068,25 unterscheidet sich von den unlöslichen organischen Bestandteilen zuvor untersuchter kohlenstoffhaltiger Chondriten und ähnelt eher IDP14 und Kometenpartikeln der Stardust-Mission. Ein starker CH-Peak bei 287,5 eV und ein sehr schwacher aromatischer oder C=C-Peak bei 285,2 eV deuten auf einen hohen Anteil aliphatischer Verbindungen in den organischen Bestandteilen hin (Abb. 3a und Abb. S3a). Bereiche mit einem hohen Anteil aliphatischer organischer Verbindungen finden sich sowohl in grobkörnigen Phyllosilikaten als auch in Bereichen mit einer geringen Anzahl aromatischer (oder C=C-) Kohlenstoffstrukturen (Abb. 3c,d). Im Gegensatz dazu wies A0037,22 (Abb. S3) teilweise einen geringeren Anteil aliphatischer Kohlenstoffregionen auf. Die zugrundeliegende Mineralogie dieser Körner ist, ähnlich wie beim Chondrit CI 16, reich an Karbonaten, was auf eine umfassende Umwandlung des Quellwassers hindeutet (Ergänzungstabelle 1). Oxidierende Bedingungen begünstigen höhere Konzentrationen von Carbonyl- und Carboxylgruppen in organischen Verbindungen, die mit Karbonaten assoziiert sind. Die Submikronverteilung organischer Verbindungen mit aliphatischen Kohlenstoffstrukturen kann sich deutlich von der Verteilung grobkörniger Schichtsilikate unterscheiden. Hinweise auf aliphatische organische Verbindungen, die mit Phyllosilikat-OH assoziiert sind, wurden im Meteoriten des Tagish Lake gefunden. Koordinierte mikroanalytische Daten legen nahe, dass organische Substanz, die reich an aliphatischen Verbindungen ist, in C-Typ-Asteroiden weit verbreitet und eng mit Phyllosilikaten assoziiert sein kann. Diese Schlussfolgerung stimmt mit früheren Berichten über aliphatische/aromatische CHs in Ryugu-Partikeln überein, die mit MicroOmega, einem Nahinfrarot-Hyperspektralmikroskop, nachgewiesen wurden. Eine wichtige und noch ungeklärte Frage ist, ob die einzigartigen Eigenschaften aliphatischer, kohlenstoffreicher organischer Verbindungen, die mit grobkörnigen Phyllosilikaten assoziiert sind und in dieser Studie beobachtet wurden, nur auf dem Asteroiden Ryugu vorkommen.
a) NEXAFS-Kohlenstoffspektren, normiert auf 292 eV, im aromatenreichen (C=C) Bereich (rot), im aliphatischen Bereich (grün) und in der Matrix (blau). Die graue Linie zeigt das Spektrum unlöslicher organischer Verbindungen von Murchison 13 zum Vergleich. au, Schiedsgerichtseinheit. b) Spektralbild der Kohlenstoff-K-Kante mittels Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM). Der Bereich ist überwiegend aus Kohlenstoff. c) RGB-Kompositdarstellung mit aromatenreichen (C=C) Bereichen (rot), aliphatischen Bereichen (grün) und der Matrix (blau). d) Organische Verbindungen mit hohem Anteil an aliphatischen Verbindungen konzentrieren sich in grobkörnigem Phyllosilikat. Der Ausschnitt aus den weiß gestrichelten Kästchen in b) und c) ist vergrößert. e) Große Nanokugeln (ng⁻¹) im Ausschnitt aus dem weiß gestrichelten Kästchen in b) und c). For: Pyrrhotin. Pn: Nickelchromit. f, Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry (NanoSIMS), Elementbilder von Wasserstoff (1H), Kohlenstoff (12C) und Stickstoff (12C14N), Elementverhältnisbilder von 12C/1H und Kreuz-Isotopenbilder von δD, δ13C und δ15N – Abschnitt PG-1: präsolarer Graphit mit extremer 13C-Anreicherung (Ergänzungstabelle 4).
Kinetische Untersuchungen des Abbaus organischer Substanz in Murchison-Meteoriten liefern wichtige Informationen über die heterogene Verteilung aliphatischer organischer Substanz in Ryugu-Körnern. Diese Studie zeigt, dass aliphatische CH-Bindungen in organischer Substanz bis zu einer Maximaltemperatur von etwa 30 °C im Ausgangsgestein erhalten bleiben und/oder sich mit der Zeit-Temperatur-Beziehung verändern (z. B. 200 Jahre bei 100 °C und 0 °C bei 100 Millionen Jahren). Wird das Ausgangsgestein nicht über einen bestimmten Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, kann die ursprüngliche Verteilung aliphatischer organischer Substanzen in Phyllosilikaten erhalten bleiben. Veränderungen des Wassergehalts im Ausgangsgestein können diese Interpretation jedoch erschweren, da der karbonatreiche Meteorit A0037 keine kohlenstoffreichen aliphatischen Bereiche in Verbindung mit Phyllosilikaten aufweist. Diese Veränderung bei niedrigen Temperaturen korrespondiert in etwa mit dem Vorkommen von kubischem Feldspat in Ryugu-Körnern (Ergänzungstabelle 1)²⁰.
Die Fraktion C0068.25 (ng-1; Abb. 3a–c,e) enthält eine große Nanokugel mit stark aromatischen (oder C=C-), mäßig aliphatischen und schwachen C(=O)O- und C=O-Spektren. Das Spektrum des aliphatischen Kohlenstoffs stimmt nicht mit dem Spektrum unlöslicher organischer Verbindungen und organischer Nanokugeln überein, die mit Chondriten assoziiert sind (Abb. 3a)^17,21. Raman- und Infrarotspektroskopische Analysen von Nanokugeln im Tagish-See zeigten, dass diese aus aliphatischen und oxidierten organischen Verbindungen sowie ungeordneten polyzyklischen aromatischen organischen Verbindungen mit komplexer Struktur bestehen^22,23. Da die umgebende Matrix organische Verbindungen mit einem hohen Anteil an aliphatischen Verbindungen enthält, könnte das Spektrum des aliphatischen Kohlenstoffs in ng-1 ein analytisches Artefakt sein. Interessanterweise enthält ng-1 eingebettete amorphe Silikate (Abb. 3e), eine Textur, die bisher für keine extraterrestrischen organischen Verbindungen beschrieben wurde. Amorphe Silikate können natürliche Bestandteile von ng-1 sein oder durch Amorphisierung wässriger/wasserfreier Silikate durch Ionen- und/oder Elektronenstrahlen während der Analyse entstehen.
NanoSIMS-Ionenbilder des Profils C0068.25 (Abb. 3f) zeigen einheitliche Veränderungen der δ¹³C- und δ¹⁵N-Werte, mit Ausnahme präsolarer Körner mit einer starken ¹³C-Anreicherung von 30.811 ‰ (PG-1 im δ¹³C-Bild in Abb. 3f) (Ergänzungstabelle 4). Röntgen-Elementarkornbilder und hochauflösende TEM-Aufnahmen zeigen lediglich die Kohlenstoffkonzentration und den Abstand zwischen den Basalebenen von 0,3 nm, was Graphit entspricht. Bemerkenswert ist, dass die Werte von δD (841 ± 394 ‰) und δ¹⁵N (169 ± 95 ‰), die in aliphatischer organischer Substanz angereichert sind, welche mit grobkörnigen Phyllosilikaten assoziiert ist, etwas höher liegen als der Durchschnitt für die gesamte Region C (δD = 528 ± 139 ‰). ‰, δ15N = 67 ± 15 ‰) in C0068.25 (Ergänzungstabelle 4). Diese Beobachtung legt nahe, dass die aliphatisch reichen organischen Verbindungen in grobkörnigen Phyllosilikaten primitiver sein könnten als die umgebenden organischen Verbindungen, da letztere möglicherweise einen Isotopenaustausch mit dem umgebenden Wasser im ursprünglichen Körper durchlaufen haben. Alternativ könnten diese Isotopenveränderungen auch mit dem anfänglichen Bildungsprozess zusammenhängen. Es wird angenommen, dass feinkörnige Schichtsilikate in CI-Chondriten durch kontinuierliche Umwandlung der ursprünglichen grobkörnigen wasserfreien Silikatcluster entstanden sind. Aliphatisch reiche organische Substanz könnte sich vor der Entstehung des Sonnensystems aus Vorläufermolekülen in der protoplanetaren Scheibe oder im interstellaren Medium gebildet und dann während der Wasserveränderungen des Ryugu-Mutterkörpers (großer Körper) leicht verändert haben. Die Größe (<1,0 km) von Ryugu ist zu gering, um ausreichend interne Wärme für eine wässrige Umwandlung zur Bildung von wasserhaltigen Mineralien aufrechtzuerhalten25. Die Größe (<1,0 km) von Ryugu ist zu gering, um ausreichend innere Wärme für eine wässrige Umwandlung zur Bildung von wasserhaltigen Mineralien aufrechtzuerhalten25. Größe (<1,0 KM) Nur ein kleines Stück, das für die Wasseraufbereitung mit der Wasseraufbereitung benötigt wird25. Ryugu ist zu klein (<1,0 km), um genügend innere Wärme für den Wasseraustausch zur Bildung von Wassermineralien aufrechtzuerhalten.25 Ryugu 的尺寸（<1.0 公里）太小,不足以维持内部热量以进行水蚀变形成含水矿物25. Ryugu 的尺寸（<1.0 公里）太小,不足以维持内部热量以进行水蚀变形成含水矿物25. Größe (<1,0 km) klein, Sie können ein neues Fenster für die Wasseraufbereitung mit kleinen Wassermengen auffüllen25. Die Größe von Ryugu (<1,0 km) ist zu gering, um die nötige innere Wärme aufzubringen, um Wasser in Wassermineralien umzuwandeln.25Daher könnten Ryugu-Vorläufer mit einer Größe von mehreren zehn Kilometern erforderlich sein. Organische Substanz, die reich an aliphatischen Verbindungen ist, kann aufgrund der Assoziation mit grobkörnigen Phyllosilikaten ihre ursprünglichen Isotopenverhältnisse beibehalten. Die genaue Natur der Träger schwerer Isotope bleibt jedoch aufgrund der komplexen und feinen Vermischung der verschiedenen Komponenten in diesen FIB-Fraktionen unklar. Es könnte sich dabei um organische Substanzen handeln, die reich an aliphatischen Verbindungen in Ryugu-Granulaten oder in den sie umgebenden groben Phyllosilikaten sind. Es ist anzumerken, dass organische Substanz in fast allen kohligen Chondriten (einschließlich CI-Chondriten) tendenziell reicher an Deuterium als an Phyllosilikaten ist, mit Ausnahme der Meteoriten CM Paris 24 und 26.
Diagramme der Volumen-δD- und δ¹⁵N-Werte von FIB-Schnitten der Objekte A0002.23 und A0002.26, A0037.22 und A0037.23 sowie C0068.23, C0068.25 und C0068.26 (insgesamt sieben FIB-Schnitte von drei Ryugu-Partikeln). Ein Vergleich der NanoSIMS-Ergebnisse mit anderen Objekten des Sonnensystems ist in Abb. 4 (Ergänzungstabelle 4) dargestellt.²⁷,²⁸ Die Volumenänderungen von δD und δ¹⁵N in den Profilen von A0002, A0037 und C0068 stimmen mit denen des IDP überein, sind aber höher als in den CM- und CI-Chondriten (Abb. 4). Der Bereich der δD-Werte für die Kometenprobe 29 (-240 bis 1655 ‰) ist größer als der von Ryugu. Die δD- und δ¹⁵N-Werte der Ryukyu-Profile sind in der Regel niedriger als der Durchschnitt von Kometen der Jupiterfamilie und der Oortschen Wolke (Abb. 4). Die niedrigeren δD-Werte der CI-Chondrite könnten auf terrestrische Verunreinigungen in diesen Proben zurückzuführen sein. Angesichts der Ähnlichkeiten zwischen Bells, Lake Tagish und IDP könnte die große Heterogenität der δD- und δN-Werte in Ryugu-Partikeln Veränderungen der ursprünglichen Isotopensignaturen organischer und wässriger Zusammensetzungen im frühen Sonnensystem widerspiegeln. Die ähnlichen Isotopenveränderungen in δD und δN in Ryugu- und IDP-Partikeln legen nahe, dass beide aus Material derselben Quelle entstanden sein könnten. Es wird angenommen, dass IDPs kometenartigen Ursprungs sind¹⁴. Daher könnte Ryugu kometenähnliches Material und/oder zumindest Material aus dem äußeren Sonnensystem enthalten. Dies könnte jedoch schwieriger sein als hier dargestellt, da (1) auf dem Mutterkörper eine Mischung aus sphärolithischem und d-reichem Wasser vorliegt³¹ und (2) das D/H-Verhältnis des Kometen von seiner Aktivität abhängt³². Die Gründe für die beobachtete Heterogenität der Wasserstoff- und Stickstoffisotope in den Ryugu-Partikeln sind jedoch noch nicht vollständig geklärt, was unter anderem auf die begrenzte Anzahl der bisher verfügbaren Analysen zurückzuführen ist. Die Ergebnisse der Wasserstoff- und Stickstoffisotopenanalysen lassen weiterhin vermuten, dass Ryugu größtenteils Material von außerhalb des Sonnensystems enthält und daher Ähnlichkeiten mit Kometen aufweisen könnte. Das Ryugu-Profil zeigte keine erkennbare Korrelation zwischen δ¹³C und δ¹⁵N (Ergänzungstabelle 4).
Die Gesamt-H- und N-Isotopenzusammensetzung der Ryugu-Partikel (rote Kreise: A0002, A0037; blaue Kreise: C0068) korreliert mit der solaren Helligkeit 27, der Jupiter-Mittelwertfamilie (JFC27), Kometen der Oortschen Wolke (OCC27), IDP28 und kohlenstoffhaltigen Chondren. Vergleich mit Meteorit 27 (CI, CM, CR, C2-ung). Die Isotopenzusammensetzung ist in Tabelle S4 (im Anhang) aufgeführt. Die gestrichelten Linien zeigen die terrestrischen Isotopenwerte für H und N.
Der Transport flüchtiger Stoffe (z. B. organische Substanz und Wasser) zur Erde gibt weiterhin Anlass zur Sorge^26,27,33. Submikronäre organische Substanz, die mit grobkörnigen Phyllosilikaten in den in dieser Studie identifizierten Ryugu-Partikeln assoziiert ist, könnte eine wichtige Quelle flüchtiger Stoffe darstellen. Organische Substanz in grobkörnigen Phyllosilikaten ist besser vor Abbau^16,34 und Zerfall³⁵ geschützt als organische Substanz in feinkörnigen Matrizen. Die schwerere Wasserstoffisotopenzusammensetzung in den Partikeln deutet darauf hin, dass sie wahrscheinlich nicht die einzige Quelle flüchtiger Stoffe sind, die auf die frühe Erde gelangten. Sie können mit Komponenten mit einer leichteren Wasserstoffisotopenzusammensetzung vermischt sein, wie kürzlich in der Hypothese zum Vorhandensein von durch den Sonnenwind transportiertem Wasser in Silikaten vorgeschlagen wurde.
In dieser Studie zeigen wir, dass CI-Meteoriten trotz ihrer geochemischen Bedeutung als Repräsentanten der Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems^6,10 terrestrisch kontaminierte Proben sind. Wir liefern zudem direkte Belege für Wechselwirkungen zwischen reichhaltiger aliphatischer organischer Substanz und benachbarten wasserhaltigen Mineralien und legen nahe, dass Ryugu extrasolares Material enthalten könnte³⁷. Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen die Wichtigkeit der direkten Probenahme von Protoasteroiden und die Notwendigkeit, zurückgebrachte Proben unter absolut inerten und sterilen Bedingungen zu transportieren. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass Ryugu-Partikel zweifellos zu den am wenigsten kontaminierten Materialien des Sonnensystems gehören, die für die Laborforschung zur Verfügung stehen, und die weitere Untersuchung dieser wertvollen Proben wird unser Verständnis der frühen Prozesse im Sonnensystem zweifellos erweitern. Ryugu-Partikel stellen die beste Repräsentation der Gesamtzusammensetzung des Sonnensystems dar.
Zur Bestimmung der komplexen Mikrostruktur und der chemischen Eigenschaften von Proben im Submikrometerbereich verwendeten wir Synchrotronstrahlungs-basierte Computertomographie (SR-XCT) und SR-Röntgenbeugung (XRD)-CT sowie FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM-Analysen. Die Proben wiesen keine Degradation, Verunreinigungen durch die Erdatmosphäre oder Beschädigungen durch Feinstaub oder mechanische Einwirkung auf. Parallel dazu führten wir systematische Volumenanalysen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM)-EDS, EPMA, XRD, instrumenteller Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) und Laser-Sauerstoffisotopenfluorierung durch. Die Analyseverfahren sind in Abbildung S3 (im Anhang) dargestellt und werden in den folgenden Abschnitten detailliert beschrieben.
Partikel des Asteroiden Ryugu wurden aus der Wiedereintrittskapsel Hayabusa-2 geborgen und zum JAXA-Kontrollzentrum in Sagamihara, Japan, transportiert, ohne die Erdatmosphäre zu verschmutzen⁴. Nach einer ersten, zerstörungsfreien Charakterisierung in einer von JAXA betriebenen Einrichtung werden verschließbare Transportbehälter und Probenkapseln (10 oder 15 mm Durchmesser, Saphirkristall und Edelstahl, je nach Probengröße) verwendet, um Umwelteinflüsse zu vermeiden. Dies dient der Vermeidung von Verunreinigungen durch Schadstoffe im Boden (z. B. Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe, atmosphärische Gase und Feinstaub) sowie von Kreuzkontaminationen zwischen den Proben während der Probenvorbereitung und des Transports zwischen Instituten und Universitäten³⁸. Um eine Zersetzung und Verschmutzung durch die Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre (Wasserdampf und Sauerstoff) zu vermeiden, wurden alle Probenpräparationsschritte (einschließlich des Abtragens mit einem Tantalmeißel, der Verwendung einer Diamantdrahtsäge (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) und des Schneidens von Epoxidharz) in einer Glovebox unter sauberem, trockenem Stickstoff (Taupunkt: -80 bis -60 °C, O₂ ~50–100 ppm) durchgeführt. Alle verwendeten Materialien wurden mit einer Mischung aus Reinstwasser und Ethanol unter Verwendung von Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen gereinigt.
Hier untersuchen wir die Meteoritensammlung des National Polar Research Institute (NIPR) des Antarctic Meteorite Research Center (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 und CY: Y 980115).
Für den Transfer zwischen den Instrumenten für SR-XCT-, NanoSIMS-, STXM-NEXAFS- und TEM-Analysen verwendeten wir den in früheren Studien beschriebenen universellen ultradünnen Probenhalter38.
Die SR-XCT-Analyse der Ryugu-Proben erfolgte mit dem integrierten CT-System BL20XU/SPring-8. Dieses System bietet verschiedene Messmodi: einen Weitfeld-Modus mit niedriger Auflösung (WL) zur Erfassung der gesamten Probenstruktur, einen Schmalfeld-Modus mit hoher Auflösung (NH) zur präzisen Messung des Probenbereichs, Röntgenaufnahmen zur Erstellung eines Beugungsmusters des Probenvolumens sowie eine XRD-CT-Analyse zur Erstellung eines 2D-Diagramms der horizontalen Mineralphasen in der Probe. Alle Messungen können ohne Demontage des Probenhalters durchgeführt werden, was präzise CT- und XRD-CT-Messungen ermöglicht. Der Röntgendetektor im Weißlichtmodus (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) war mit einer zusätzlichen 4608 × 4608 Pixel großen Metall-Oxid-Halbleiter-Kamera (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) mit einem Szintillator aus 10 µm dickem Lutetium-Aluminium-Granat-Einkristall (Lu₃Al₅O₁₂:Ce) und einer Relaislinse ausgestattet. Die Pixelgröße im Weißlichtmodus beträgt ca. 0,848 µm. Das Sichtfeld (FOV) im Weißlichtmodus beträgt im Offset-CT-Modus somit ca. 6 mm. Der NH-Röntgendetektor (BM AA50; Hamamatsu Photonics) war mit einem 20 µm dicken Gadolinium-Aluminium-Gallium-Granat-Szintillator (Gd₃Al₂Ga₃O₁₂), einer CMOS-Kamera (C11440-22CU; Hamamatsu Photonics) mit einer Auflösung von 2048 × 2048 Pixeln und einem 20-fachen Objektiv ausgestattet. Die Pixelgröße im NH-Modus beträgt ca. 0,25 µm und das Sichtfeld ca. 0,5 mm. Der Detektor für den XRD-Modus (BM AA60; Hamamatsu Photonics) war mit einem Szintillator bestehend aus einem 50 µm dicken P43-Pulverschirm (Gd₂O₂S:Tb), einer CMOS-Kamera mit einer Auflösung von 2304 × 2304 Pixeln (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) und einer Relaislinse ausgestattet. Der Detektor hat eine effektive Pixelgröße von 19,05 µm und ein Sichtfeld von 43,9 mm². Zur Vergrößerung des Sichtfelds wurde ein Offset-CT-Verfahren im WL-Modus angewendet. Das Durchlichtbild für die CT-Rekonstruktion besteht aus einem horizontal um die Rotationsachse gespiegelten Bild im Bereich von 180° bis 360° und einem Bild im Bereich von 0° bis 180°.
Im XRD-Modus wird der Röntgenstrahl mittels einer Fresnel-Zonenplatte fokussiert. Der Detektor befindet sich dabei 110 mm hinter der Probe, der Strahlstopper 3 mm vor dem Detektor. Diffraktionsbilder im 2θ-Bereich von 1,43° bis 18,00° (Gitterperiode d = 16,6–1,32 Å) wurden aufgenommen, wobei der Röntgenstrahlfleck am unteren Rand des Sichtfelds des Detektors fokussiert war. Die Probe bewegt sich in regelmäßigen Abständen vertikal, wobei jeder vertikale Scanschritt eine halbe Umdrehung umfasst. Erfüllen die Mineralpartikel bei einer Drehung um 180° die Bragg-Bedingung, lässt sich eine Beugung der Mineralpartikel in der horizontalen Ebene erzielen. Die Diffraktionsbilder wurden anschließend für jeden vertikalen Scanschritt zu einem Bild kombiniert. Die Bedingungen für die SR-XRD-CT-Analyse sind nahezu identisch mit denen der SR-XRD-Analyse. Im XRD-CT-Modus befindet sich der Detektor 69 mm hinter der Probe. Die Beugungsbilder im 2θ-Bereich reichen von 1,2° bis 17,68° (d = 19,73 bis 1,35 Å), wobei sowohl der Röntgenstrahl als auch der Strahlbegrenzer mittig im Sichtfeld des Detektors ausgerichtet sind. Die Probe wird horizontal abgetastet und um 180° gedreht. Die SR-XRD-CT-Bilder wurden mit den maximalen Mineralintensitäten als Pixelwerten rekonstruiert. Bei horizontaler Abtastung wird die Probe typischerweise in 500–1000 Schritten abgetastet.
Für alle Experimente wurde die Röntgenenergie auf 30 keV festgelegt, da dies die untere Grenze der Röntgendurchdringung von Meteoriten mit einem Durchmesser von etwa 6 mm darstellt. Die Anzahl der während der 180°-Rotation aufgenommenen Bilder betrug 1800 (3600 beim Offset-CT-Programm). Die Belichtungszeit betrug 100 ms im Weißlichtmodus (WL), 300 ms im Normallichtmodus (NH), 500 ms im Röntgendiffraktometer (XRD) und 50 ms im XRD-CT-Modus. Die typische Probenscanzeit betrug etwa 10 Minuten im Weißlichtmodus (WL), 15 Minuten im Normallichtmodus (NH), 3 Stunden im XRD-Modus und 8 Stunden im SR-XRD-CT-Modus.
Die CT-Bilder wurden mittels Faltungsrückprojektion rekonstruiert und auf einen linearen Schwächungskoeffizienten von 0 bis 80 cm-1 normalisiert. Die Software Slice wurde zur Analyse der 3D-Daten und die Software muXRD zur Analyse der XRD-Daten verwendet.
Epoxidharz-fixierte Ryugu-Partikel (A0029, A0037, C0009, C0014 und C0068) wurden unter trockenen Bedingungen schrittweise bis zu einer Körnung von 0,5 µm (3M) Diamant-Läppfilm poliert. Dabei wurde darauf geachtet, dass das Material während des Poliervorgangs nicht mit der Oberfläche in Kontakt kam. Die polierte Oberfläche jeder Probe wurde zunächst lichtmikroskopisch und anschließend mittels Rückstreuelektronenmikroskopie (REM, JEOL JSM-7100F) mit energiedispersivem Spektrometer (AZtec) untersucht, um mineralogische und Texturbilder (BSE) sowie qualitative NIPR-Elementanalysen zu erhalten. Der Gehalt an Haupt- und Spurenelementen wurde für jede Probe mit einer Elektronenstrahl-Mikrosonde (EPMA, JEOL JXA-8200) analysiert. Phyllosilikat- und Karbonatpartikel wurden bei 5 nA, natürliche und synthetische Standards bei 15 keV sowie Sulfide, Magnetit, Olivin und Pyroxen bei 30 nA analysiert. Die Modalwerte wurden anhand von Elementkarten und BSE-Bildern mit der Software ImageJ 1.53 berechnet, wobei für jedes Mineral willkürlich geeignete Schwellenwerte festgelegt wurden.
Die Sauerstoffisotopenanalyse wurde an der Open University (Milton Keynes, Großbritannien) mit einem Infrarot-Laserfluorierungssystem durchgeführt. Hayabusa2-Proben wurden in mit Stickstoff gefüllten Behältern zur Open University transportiert.
Die Probenbeladung erfolgte in einer Stickstoff-Handschuhbox mit einem überwachten Sauerstoffgehalt unter 0,1 %. Für die Hayabusa2-Analyse wurde ein neuer Ni-Probenhalter mit nur zwei Probenöffnungen (Durchmesser 2,5 mm, Tiefe 5 mm) gefertigt: eine für Hayabusa2-Partikel und die andere für den Obsidian-Standard. Während der Analyse wurde die Probenvertiefung mit dem Hayabusa2-Material mit einem ca. 1 mm dicken und 3 mm durchmessenden BaF₂-Fenster abgedeckt, um die Probe während der Laserreaktion zu fixieren. Der BrF₅-Fluss zur Probe wurde durch einen in den Ni-Probenhalter eingebrachten Gasmischkanal aufrechterhalten. Die Probenkammer wurde so umgestaltet, dass sie aus der Vakuumfluorierungsanlage entnommen und anschließend in einer mit Stickstoff gefüllten Handschuhbox geöffnet werden konnte. Die zweiteilige Kammer wurde mit einer Kupferdichtung und einer EVAC Quick Release CeFIX 38-Kettenklemme verschlossen. Ein 3 mm dickes BaF₂-Fenster an der Oberseite der Kammer ermöglicht die gleichzeitige Beobachtung der Probe und der Lasererhitzung. Nach dem Einbringen der Probe wird die Kammer wieder verschlossen und an die fluorierte Leitung angeschlossen. Vor der Analyse wurde die Probenkammer über Nacht unter Vakuum auf ca. 95 °C erhitzt, um adsorbierte Feuchtigkeit zu entfernen. Nach dem Erhitzen über Nacht ließ man die Kammer auf Raumtemperatur abkühlen. Anschließend wurde der während des Probentransfers der Atmosphäre ausgesetzte Teil der Kammer mit drei Aliquoten BrF₅ gespült, um Feuchtigkeit zu entfernen. Diese Vorgehensweise gewährleistet, dass die Hayabusa-2-Probe nicht mit der Atmosphäre in Kontakt kommt und nicht durch Feuchtigkeit aus dem während des Probeneinbringens zur Atmosphäre hin offenen Teil der fluorierten Leitung verunreinigt wird.
Die Partikelproben von Ryugu C0014-4 und Orgueil (CI) wurden in einem modifizierten „Einzel“-Modus analysiert⁴², während die Analyse von Y-82162 (CY) auf einem Probenträger mit mehreren Probenvertiefungen durchgeführt wurde⁴¹. Aufgrund ihrer wasserfreien Zusammensetzung ist für CY-Chondrite keine einheitliche Methode erforderlich. Die Proben wurden mit einem Infrarot-CO₂-Laser der Firma Photon Machines Inc. (50 W, 10,6 µm) erhitzt, der auf dem XYZ-Portal montiert war. Die Reaktion wurde in Gegenwart von BrF₅ durchgeführt. Das integrierte Videosystem überwachte den Reaktionsverlauf. Nach der Fluorierung wurde der freigesetzte Sauerstoff mit zwei kryogenen Stickstofffallen und einem erhitzten KBr-Bett abgetrennt, um überschüssiges Fluor zu entfernen. Die Isotopenzusammensetzung des gereinigten Sauerstoffs wurde mit einem Zweikanal-Massenspektrometer MAT 253 von Thermo Fisher mit einer Massenauflösung von ca. 200 analysiert.
In einigen Fällen betrug die Menge an gasförmigem O₂, die während der Probenreaktion freigesetzt wurde, weniger als 140 µg. Dies entspricht in etwa der Messgrenze des Balggeräts am Massenspektrometer MAT 253. In diesen Fällen werden Mikrovolumina für die Analyse verwendet. Nach der Analyse der Hayabusa2-Partikel wurde der Obsidian-interne Standard fluoriert und seine Sauerstoffisotopenzusammensetzung bestimmt.
Ionen des NF+ NF3+-Fragments interferieren mit dem Strahl mit der Masse 33 (16O17O). Um dieses potenzielle Problem zu vermeiden, werden die meisten Proben kryogenisch getrennt. Dies kann vor der MAT-253-Analyse in Vorwärtsrichtung oder als zweite Analyse erfolgen, indem das zu analysierende Gas nach der kryogenen Trennung erneut durch das spezielle Molekularsieb geleitet wird. Bei der kryogenen Trennung wird Gas einem Molekularsieb bei Flüssigstickstofftemperatur zugeführt und anschließend in ein primäres Molekularsieb bei -130 °C abgeleitet. Umfangreiche Tests haben gezeigt, dass NF+ auf dem ersten Molekularsieb verbleibt und mit dieser Methode keine signifikante Fraktionierung auftritt.
Basierend auf wiederholten Analysen unserer internen Obsidianstandards beträgt die Gesamtgenauigkeit des Systems im Balgmodus: ±0,053 ‰ für δ¹⁷O, ±0,095 ‰ für δ¹⁸O, ±0,018 ‰ für Δ¹⁷O (2 Standardabweichungen). Die Sauerstoffisotopenanalyse wird in der Standard-Delta-Notation angegeben, wobei Δ¹⁸O wie folgt berechnet wird:
Verwenden Sie außerdem das 17O/16O-Verhältnis für δ17O. VSMOW ist der internationale Standard für das Wiener Mittelmeerwasser. Δ17O stellt die Abweichung von der Erdfraktionierungslinie dar, und die Berechnungsformel lautet: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Alle in Tabelle S3 (im Anhang) dargestellten Daten wurden korrigiert.
Mithilfe eines Hitachi High Tech SMI4050 FIB-Instruments am JAMSTEC, Kochi Core Sampling Institute, wurden etwa 150 bis 200 nm dicke Schnitte aus Ryugu-Partikeln gewonnen. Alle FIB-Schnitte stammen von unbehandelten Partikelfragmenten, die zuvor aus mit Stickstoff gefüllten Gefäßen für den Objekttransfer entnommen wurden. Diese Fragmente wurden nicht mittels SR-CT vermessen, sondern unter minimaler Exposition gegenüber der Erdatmosphäre verarbeitet, um potenzielle Schäden und Verunreinigungen zu vermeiden, die das Kohlenstoff-K-Kanten-Spektrum beeinflussen könnten. Nach dem Aufbringen einer Wolfram-Schutzschicht wurde der relevante Bereich (bis zu 25 × 25 μm²) mit einem Ga+-Ionenstrahl bei einer Beschleunigungsspannung von 30 kV, anschließend bei 5 kV und einem Sondenstrom von 40 pA ausgedünnt, um Oberflächenschäden zu minimieren. Die ultradünnen Schnitte wurden dann mithilfe eines mit FIB ausgestatteten Mikromanipulators auf ein vergrößertes Kupfernetz (Kochi-Netz)³⁹ aufgebracht.
Die Pellets Ryugu A0098 (1,6303 mg) und C0068 (0,6483 mg) wurden in einer mit reinem Stickstoff gefüllten Glovebox auf dem SPring-8-Experiment ohne Kontakt mit der Erdatmosphäre doppelt in hochreine Polyethylenfolien eingeschweißt. Die Probenpräparation für JB-1 (ein geologisches Referenzgestein des Geologischen Dienstes von Japan) erfolgte an der Tokyo Metropolitan University.
Die INAA-Messungen wurden am Institut für Integrierte Strahlungs- und Nuklearwissenschaften der Universität Kyoto durchgeführt. Die Proben wurden zweimal mit unterschiedlichen Bestrahlungszyklen bestrahlt, die anhand der Halbwertszeit des zur Elementquantifizierung verwendeten Nuklids ausgewählt wurden. Zunächst wurde die Probe 30 Sekunden lang in einem pneumatischen Bestrahlungsrohr bestrahlt. Die Flüsse thermischer und schneller Neutronen in Abb. 3 betragen 4,6 × 10¹² bzw. 9,6 × 10¹¹ cm^-2 s^-1 zur Bestimmung der Gehalte an Mg, Al, Ca, Ti, V und Mn. Chemikalien wie MgO (99,99 % Reinheit, Soekawa Chemical), Al (99,9 % Reinheit, Soekawa Chemical) und Si-Metall (99,999 % Reinheit, FUJIFILM Wako Pure Chemical) wurden ebenfalls bestrahlt, um störende Kernreaktionen wie (n, n) zu korrigieren. Zur Korrektur von Änderungen des Neutronenflusses wurde die Probe außerdem mit Natriumchlorid (99,99 % Reinheit; MANAC) bestrahlt.
Nach der Neutronenbestrahlung wurde die äußere Polyethylenfolie durch eine neue ersetzt und die von Probe und Referenz emittierte Gammastrahlung sofort mit einem Germaniumdetektor gemessen. Dieselben Proben wurden anschließend vier Stunden lang in einem pneumatischen Bestrahlungsrohr erneut bestrahlt. Für die Bestimmung von Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Sb, Os, Ir und Au wurden thermische und schnelle Neutronenflüsse von 5,6 × 10¹² bzw. 1,2 × 10¹² cm⁻² s⁻¹ verwendet. Kontrollproben von Ga, As, Se, Sb, Os, Ir und Au wurden bestrahlt, indem entsprechende Mengen (10 bis 50 μg) von Standardlösungen bekannter Konzentrationen dieser Elemente auf zwei Filterpapierstücke aufgetragen und anschließend die Proben bestrahlt wurden. Die Gammastrahlenmessung erfolgte am Institut für Integrierte Strahlungs- und Nuklearwissenschaften der Universität Kyoto und am RI-Forschungszentrum der Tokyo Metropolitan University. Die analytischen Verfahren und Referenzmaterialien für die quantitative Bestimmung der INAA-Elemente sind die gleichen wie in unserer vorherigen Arbeit beschrieben.
Zur Aufnahme der Beugungsmuster der Ryugu-Proben A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) am NIPR wurde ein Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) verwendet. Zur Aufnahme der Beugungsmuster der Ryugu-Proben A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) am NIPR wurde ein Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) verwendet. Das intelligente Difraktormessgerät (Rigaku SmartLab) wurde für die Messung von Difraktorkarten von Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) in NIPR verwendet. Zur Erfassung der Beugungsmuster der Ryugu-Proben A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) und C0087 (<1 mg) im NIPR wurde ein Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) verwendet.使用使用 Ryugu A0029 (<1 MG), A0037 (<1 MG) und C0087 (<1 MG) wurden von NIPR mit Hilfe eines neuen Messgeräts (Rigaku SmartLab) aufgenommen. Die Röntgenbeugungsmuster der Proben Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) und C0087 (<1 mg) wurden am NIPR mit einem Röntgendiffraktometer (Rigaku SmartLab) aufgenommen.Alle Proben wurden auf einem Silizium-Antireflexionssubstrat mithilfe einer Saphirglasplatte zu einem feinen Pulver vermahlen und anschließend ohne Zugabe von Flüssigkeit (Wasser oder Alkohol) gleichmäßig auf dem Substrat verteilt. Die Messbedingungen waren wie folgt: Die Cu-Kα-Röntgenstrahlung wurde mit einer Röhrenspannung von 40 kV und einem Röhrenstrom von 40 mA erzeugt. Die Spaltlänge betrug 10 mm, der Divergenzwinkel (1/6)°, die Rotationsgeschwindigkeit in der Ebene 20 U/min und der Messbereich 2θ (doppelter Bragg-Winkel) 3–100°. Die Analyse dauerte etwa 28 Stunden. Es wurde eine Bragg-Brentano-Optik verwendet. Als Detektor diente ein eindimensionaler Silizium-Halbleiterdetektor (D/teX Ultra 250). Die Cu-Kβ-Röntgenstrahlung wurde mittels eines Nickelfilters entfernt. Anhand verfügbarer Proben wurden Messungen von synthetischem Magnesiumsaponit (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd), Serpentin (Blattserpentin, Miyazu, Nikka) und Pyrrhotin (monoklin 4C, Chihua, Mexiko Watts) verglichen, um Peaks zu identifizieren. Dabei wurden Pulverdiffraktionsdaten des International Center for Diffraction Data (ICDD), Dolomit (PDF 01-071-1662) und Magnetit (PDF 00-019-0629) herangezogen. Die Diffraktionsdaten von Ryugu wurden außerdem mit Daten hydroalterierter kohlenstoffhaltiger Chondrite, Orgueil CI, Y-791198 CM2.4 und Y 980115 CY (Heizstufe III, 500–750 °C), verglichen. Der Vergleich zeigte Ähnlichkeiten mit Orgueil, jedoch nicht mit Y-791198 und Y 980115.
NEXAFS-Spektren mit Kohlenstoff-K-Kante von ultradünnen Probenschnitten, die mittels FIB hergestellt wurden, wurden mit dem STXM BL4U-Kanal an der UVSOR-Synchrotronstrahlungsquelle des Instituts für Molekularwissenschaften (Okazaki, Japan) gemessen. Der Fokuspunkt des mit einer Fresnel-Zonenplatte optisch fokussierten Strahls betrug ca. 50 nm. Die Energieschritte betrugen 0,1 eV für die Feinstruktur im Bereich nahe der Absorptionskante (283,6–292,0 eV) und 0,5 eV (280,0–283,5 eV und 292,5–300,0 eV) für die Bereiche der Vorder- und Rückseite. Die Belichtungszeit pro Bildpixel betrug 2 ms. Nach der Evakuierung wurde die STXM-Analysenkammer mit Helium bei einem Druck von ca. 20 mbar gefüllt. Dies minimiert die thermische Drift der Röntgenoptik in der Kammer und im Probenhalter und reduziert Probenschäden und/oder Oxidation. NEXAFS-K-Kanten-Kohlenstoffspektren wurden aus gestapelten Daten mithilfe der Software aXis2000 und der proprietären Datenverarbeitungssoftware STXM generiert. Die Proben wurden in einem speziellen Transportkoffer und einer Glovebox aufbewahrt, um Oxidation und Kontamination der Probe zu vermeiden.
Im Anschluss an die STXM-NEXAFS-Analyse wurde die Isotopenzusammensetzung von Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff in Ryugu-FIB-Schnitten mittels Isotopenbildgebung mit einem JAMSTEC NanoSIMS 50L analysiert. Ein fokussierter Cs+-Primärstrahl mit einer Leistung von ca. 2 pA für die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse und ca. 13 pA für die Wasserstoffisotopenanalyse wurde über eine Fläche von ca. 24 × 24 µm² bis 30 × 30 µm² auf der Probe rasterförmig abgetastet. Nach einer dreiminütigen Vorbestrahlung mit relativ hohem Primärstrahlstrom wurde jede Analyse nach Stabilisierung der Sekundärstrahlintensität gestartet. Zur Analyse von Kohlenstoff- und Stickstoffisotopen wurden simultan Bilder von ¹²C, ¹³C, ¹⁶O, ¹²C¹⁴N und ¹²C¹⁵N mittels Multiplex-Detektion mit sieben Elektronenvervielfachern und einer Massenauflösung von ca. 9000 aufgenommen. Diese Auflösung ist ausreichend, um alle relevanten Isotopenverbindungen und Interferenzen (z. B. ¹²C¹H auf ¹³C und ¹³C¹⁴N auf ¹²C¹⁵N) zu trennen. Zur Analyse von Wasserstoffisotopen wurden ¹H-, ²D- und ¹²C-Bilder mit einer Massenauflösung von ca. 3000 mittels Mehrfachdetektion mit drei Elektronenvervielfachern aufgenommen. Jede Analyse besteht aus 30 gescannten Bildern desselben Bereichs, wobei ein Bild 256 × 256 Pixel für die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse und 128 × 128 Pixel für die Wasserstoffisotopenanalyse umfasst. Die Verzögerungszeit beträgt 3000 µs pro Pixel für die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse und 5000 µs pro Pixel für die Wasserstoffisotopenanalyse. Wir haben 1-Hydroxybenzotriazol-Hydrat als Wasserstoff-, Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenstandard zur Kalibrierung der instrumentellen Massenfraktionierung verwendet.⁴⁵
Zur Bestimmung der Silizium-Isotopenzusammensetzung von präsolarem Graphit im FIB-Profil C0068-25 verwendeten wir sechs Elektronenvervielfacher mit einer Massenauflösung von etwa 9000. Die Bilder bestehen aus 256 × 256 Pixeln mit einer Verzögerungszeit von 3000 µs pro Pixel. Wir kalibrierten ein Massenfraktionierungsinstrument mit Siliziumwafern als Wasserstoff-, Kohlenstoff- und Silizium-Isotopenstandards.
Die Isotopenbilder wurden mit der Bildverarbeitungssoftware NanoSIMS45 der NASA verarbeitet. Die Daten wurden hinsichtlich der Totzeit des Elektronenvervielfachers (44 ns) und des quasi-simultanen Eintreffens von Ionen korrigiert. Für jedes Bild wurde eine andere Scan-Ausrichtung gewählt, um Bilddrift während der Aufnahme zu korrigieren. Das endgültige Isotopenbild wurde durch Addition der Sekundärionen aus jedem Bild für jedes Scan-Pixel erstellt.
Nach der STXM-NEXAFS- und NanoSIMS-Analyse wurden die gleichen FIB-Proben mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEOL JEM-ARM200F) bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV am JAMSTEC in Kochi untersucht. Die Mikrostruktur wurde mittels Hellfeld-TEM und Dunkelfeld-Hochwinkel-Raster-TEM (HASTE) analysiert. Mineralphasen wurden durch Punkt-Elektronenbeugung und Gitterbandabbildung identifiziert. Die chemische Analyse erfolgte mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) mit einem 100 mm² großen Silizium-Drift-Detektor und der Software JEOL Analysis Station 4.30. Für die quantitative Analyse wurde die charakteristische Röntgenintensität jedes Elements im TEM-Rastermodus mit einer festen Datenerfassungszeit von 30 s, einer Scanfläche von ca. 100 × 100 nm² und einem Strahlstrom von 50 pA gemessen. Das Verhältnis (Si + Al)-Mg-Fe in Schichtsilikaten wurde anhand des experimentellen, schichtdickenkorrigierten Koeffizienten k bestimmt, der aus einem Standard aus natürlichem Pyropagranat gewonnen wurde.
Alle in dieser Studie verwendeten Bilder und Analysen sind im JAXA-Datenarchivierungs- und Kommunikationssystem (DARTS) unter https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2 verfügbar. Die Originaldaten sind in diesem Artikel enthalten.
Kitari, K. et al. Oberflächenzusammensetzung des Asteroiden 162173 Ryugu, beobachtet mit dem Hayabusa2 NIRS3-Instrument. Science 364, 272–275.
Kim, AJ Yamato-artige kohlenstoffhaltige Chondrite (CY): Analoga der Oberfläche des Ryugu-Asteroiden? Geochemistry 79, 125531 (2019).
Pilorjet, S. et al. Die erste Zusammensetzungsanalyse von Ryugu-Proben wurde mit einem MicroOmega-Hyperspektralmikroskop durchgeführt. National Astron. 6, 221–225 (2021).
Yada, T. et al. Vorläufige Analyse der von dem C-Typ-Asteroiden Ryugu zurückgebrachten Hyabusa2-Probe. National Astron. 6, 214–220 (2021).