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Volatili e ricchi di materia organica, gli asteroidi di tipo C potrebbero essere una delle principali fonti d'acqua sulla Terra. Attualmente, le condriti contenenti carbonio forniscono l'idea migliore della loro composizione chimica, ma le informazioni sui meteoriti sono distorte: solo i tipi più resistenti sopravvivono all'ingresso nell'atmosfera e alla successiva interazione con l'ambiente terrestre. Qui presentiamo i risultati di uno studio volumetrico e microanalitico dettagliato della particella primaria di Ryugu trasportata sulla Terra dalla sonda Hayabusa-2. Le particelle di Ryugu mostrano una composizione molto simile a quella delle condriti CI (tipo Iwuna) chimicamente non frazionate ma alterate dall'acqua, ampiamente utilizzate come indicatori della composizione complessiva del sistema solare. Questo esemplare mostra una complessa relazione spaziale tra la ricca composizione organica alifatica e i silicati stratificati e indica una temperatura massima di circa 30 °C durante l'erosione idrica. Abbiamo trovato un'abbondanza di deuterio e diazonio coerente con un'origine extrasolare. Le particelle di Ryugu sono il materiale alieno più incontaminato e inseparabile mai studiato e sono quelle che meglio si adattano alla composizione complessiva del sistema solare.
Da giugno 2018 a novembre 2019, la sonda Hayabusa-2 della Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) ha condotto un'ampia indagine remota dell'asteroide Ryugu. I dati dello spettrometro nel vicino infrarosso (NIRS3) di Hayabusa-2 suggeriscono che Ryugu potrebbe essere composto da un materiale simile alle condriti carboniose con metamorfismo termico e/o da shock. La condrite più simile è la CY (tipo Yamato) 2. La bassa albedo di Ryugu può essere spiegata dalla presenza di un gran numero di componenti ricchi di carbonio, nonché dalla dimensione delle particelle, dalla porosità e dagli effetti di alterazione spaziale. La sonda Hayabusa-2 ha effettuato due atterraggi e ha raccolto campioni su Ryugu. Durante il primo atterraggio, il 21 febbraio 2019, è stato prelevato materiale superficiale, che è stato conservato nel compartimento A della capsula di ritorno, e durante il secondo atterraggio, l'11 luglio 2019, il materiale è stato raccolto vicino a un cratere artificiale formato da un piccolo impattatore portatile. Questi campioni sono conservati nel Reparto C. La caratterizzazione non distruttiva iniziale delle particelle nella Fase 1 in camere speciali, non contaminate e riempite di azoto puro presso le strutture gestite dalla JAXA ha indicato che le particelle di Ryugu erano più simili alle condriti CI4 e mostravano "vari livelli di variazione"3. La classificazione apparentemente contraddittoria di Ryugu, simile alle condriti CY o CI, può essere risolta solo da una dettagliata caratterizzazione isotopica, elementare e mineralogica delle particelle di Ryugu. I risultati presentati qui forniscono una solida base per determinare quale di queste due spiegazioni preliminari per la composizione complessiva dell'asteroide Ryugu sia la più probabile.
Otto pellet di Ryugu (circa 60 mg in totale), quattro dalla Camera A e quattro dalla Camera C, sono stati assegnati alla Fase 2 per gestire il team di Kochi. L'obiettivo principale dello studio è chiarire la natura, l'origine e la storia evolutiva dell'asteroide Ryugu e documentare somiglianze e differenze con altri campioni extraterrestri noti come condriti, particelle di polvere interplanetaria (IDP) e comete di ritorno. Campioni raccolti dalla missione Stardust della NASA.
Analisi mineralogiche dettagliate di cinque grani di Ryugu (A0029, A0037, C0009, C0014 e C0068) hanno mostrato che sono composti principalmente da fillosilicati a grana fine e grossa (~64–88 vol.%; Fig. 1a, b, Figura 1 supplementare). e tabella 1 aggiuntiva. I fillosilicati a grana grossa si presentano come aggregati pennati (fino a decine di micron di dimensione) in matrici a grana fine ricche di fillosilicati (meno di pochi micron di dimensione). Le particelle di silicato stratificato sono simbionti serpentino-saponite (Fig. 1c). La mappa (Si + Al)-Mg-Fe mostra anche che la matrice silicatica stratificata massiva ha una composizione intermedia tra serpentino e saponite (Fig. 2a, b). La matrice fillosilicata contiene minerali carbonatici (~2-21 vol.%), minerali solfuri (~2,4-5,5 vol.%) e magnetite (~3,6-6,8 vol.%). Una delle particelle esaminate in questo studio (C0009) conteneva una piccola quantità (~0,5 vol.%) di silicati anidri (olivina e pirosseno), che potrebbe aiutare a identificare il materiale di origine che componeva la pietra grezza di Ryugu5. Questo silicato anidro è raro nei pellet di Ryugu ed è stato identificato con certezza solo nel pellet C0009. I carbonati sono presenti nella matrice come frammenti (meno di poche centinaia di micron), principalmente dolomite, con piccole quantità di carbonato di calcio e brinell. La magnetite si presenta come particelle isolate, framboidi, placche o aggregati sferici. I solfuri sono rappresentati principalmente da pirrotite sotto forma di prismi/lamine o listelli esagonali irregolari. La matrice contiene una grande quantità di pentlandite submicronica o in combinazione con pirrotite. Le fasi ricche di carbonio (di dimensioni <10 µm) sono presenti ovunque nella matrice ricca di fillosilicati. Le fasi ricche di carbonio (di dimensioni <10 µm) sono presenti ovunque nella matrice ricca di fillosilicati. La fase di accumulo (dimensione <10 mm) è gestita in modo corretto da una matrice fillosilicata. Le fasi ricche di carbonio (di dimensioni <10 µm) sono presenti ovunque nella matrice ricca di fillosilicati.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. La fase di accumulo (dimensione <10 mm) si verifica nella matrice fillosilicata di accumulo. Nella matrice ricca di fillosilicati predominano le fasi ricche di carbonio (di dimensioni <10 µm).Altri minerali ausiliari sono riportati nella Tabella Supplementare 1. L'elenco dei minerali determinati dal modello di diffrazione dei raggi X della miscela C0087, A0029 e A0037 è molto coerente con quello determinato nella condrite CI (Orgueil), ma differisce notevolmente dalle condriti CY e CM (tipo Mighei) (Figura 1 con dati espansi e Figura Supplementare 2). Anche il contenuto totale di elementi nei grani di Ryugu (A0098, C0068) è coerente con quello della condrite 6 CI (dati espansi, Fig. 2 e Tabella Supplementare 2). Al contrario, le condriti CM sono povere di elementi moderatamente e altamente volatili, in particolare Mn e Zn, e più elevate di elementi refrattari7. Le concentrazioni di alcuni elementi variano notevolmente, il che potrebbe riflettere l'eterogeneità intrinseca del campione dovuta alle piccole dimensioni delle singole particelle e alla conseguente distorsione del campionamento. Tutte le caratteristiche petrologiche, mineralogiche ed elementari indicano che i granuli di Ryugu sono molto simili alle condriti CI8,9,10. Un'eccezione degna di nota è l'assenza di ferridrite e solfato nei granuli di Ryugu, suggerendo che questi minerali nelle condriti CI si siano formati per degradazione meteorica terrestre.
a, Immagine composita a raggi X di Mg Kα (rosso), Ca Kα (verde), Fe Kα (blu) e S Kα (giallo) nella sezione lucidata a secco C0068. La frazione è composta da silicati stratificati (rosso: ~88% vol), carbonati (dolomite; verde chiaro: ~1,6% vol), magnetite (blu: ~5,3% vol) e solfuri (giallo: solfuro = ~2,5% vol). saggio. b, Immagine della regione di contorno in elettroni retrodiffusi su a. Bru – immaturo; Dole – dolomite; FeS è solfuro di ferro; Mag – magnetite; juice – steatite; Srp – serpentino. c, Immagine di microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (TEM) di una tipica intercrescita saponite-serpentino che mostra bande reticolari di serpentino e saponite rispettivamente di 0,7 nm e 1,1 nm.
La composizione della matrice e del silicato stratificato (in %) delle particelle Ryugu A0037 (cerchi rossi pieni) e C0068 (cerchi blu pieni) è mostrata nel sistema ternario (Si+Al)-Mg-Fe. a, Risultati della microanalisi a sonda elettronica (EPMA) rappresentati graficamente rispetto alle condriti CI (Ivuna, Orgueil, Alais)16 mostrate in grigio per confronto. b, Analisi TEM a scansione (STEM) e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) mostrate per confronto con le meteoriti di Orgueil9 e Murchison46 e l'idrato IDP47. Sono stati analizzati fillosilicati a grana fine e a grana grossa, escludendo piccole particelle di solfuro di ferro. Le linee tratteggiate in a e b mostrano le linee di dissoluzione di saponite e serpentino. La composizione ricca di ferro in a potrebbe essere dovuta alla presenza di granuli di solfuro di ferro submicronico all'interno dei granuli di silicato stratificati, il che non può essere escluso dalla risoluzione spaziale dell'analisi EPMA. I punti dati con un contenuto di Si più elevato rispetto alla saponite in b potrebbero essere causati dalla presenza di materiale amorfo ricco di silicio di dimensioni nanometriche negli interstizi dello strato di fillosilicato. Numero di analisi: N=69 per A0037, N=68 per EPMA, N=68 per C0068, N=19 per A0037 e N=27 per C0068 per STEM-EDS. c, mappa isotopica della particella triossidica Ryugu C0014-4 confrontata con i valori di condrite CI (Orgueil), CY (Y-82162) e dati di letteratura (CM e C2-ung)41,48,49. Abbiamo ottenuto dati per i meteoriti di Orgueil e Y-82162. CCAM è una linea di minerali di condrite carboniosa anidra, TFL è una linea di demarcazione terrestre. Mappe d, Δ17O e δ18O della particella di Ryugu C0014-4, condrite CI (Orgueil) e condrite CY (Y-82162) (questo studio). Δ17O_Ryugu: Valore di Δ17O C0014-1. Δ17O_Orgueil: Valore medio di Δ17O per Orgueil. Δ17O_Y-82162: Valore medio di Δ17O per Y-82162. Sono mostrati anche i dati CI e CY tratti dalla letteratura 41, 48, 49 per confronto.
L'analisi isotopica di massa dell'ossigeno è stata eseguita su un campione di 1,83 mg di materiale estratto da CO2 granulare mediante fluorurazione laser (Metodi). Per confronto, abbiamo analizzato sette copie di Orgueil (CI) (massa totale = 8,96 mg) e sette copie di Y-82162 (CY) (massa totale = 5,11 mg) (Tabella supplementare 3).
La figura 2d mostra una netta separazione di Δ17O e δ18O tra le particelle medie in peso di Orgueil e Ryugu rispetto a Y-82162. Il Δ17O della particella C0014-4 di Ryugu è maggiore di quello della particella di Orgeil, nonostante la sovrapposizione a 2 deviazioni standard. Le particelle di Ryugu presentano valori di Δ17O più elevati rispetto a Orgeil, il che potrebbe riflettere l'inquinamento terrestre di quest'ultimo dalla sua caduta nel 1864. L'alterazione nell'ambiente terrestre11 comporta necessariamente l'incorporazione di ossigeno atmosferico, avvicinando l'analisi complessiva alla linea di frazionamento terrestre (TFL). Questa conclusione è coerente con i dati mineralogici (discussi in precedenza) secondo cui i grani di Ryugu non contengono idrati o solfati, mentre Orgeil sì.
Sulla base dei dati mineralogici sopra riportati, questi risultati supportano un'associazione tra i grani di Ryugu e le condriti di CI, ma escludono un'associazione con le condriti di CY. Il fatto che i grani di Ryugu non siano associati alle condriti di CY, che mostrano chiari segni di mineralogia da disidratazione, è sconcertante. Le osservazioni orbitali di Ryugu sembrano indicare che abbia subito disidratazione e che sia quindi probabilmente composto da materiale di CY. Le ragioni di questa apparente differenza rimangono poco chiare. Un'analisi degli isotopi di ossigeno di altre particelle di Ryugu è presentata in un articolo correlato [12]. Tuttavia, i risultati di questo set di dati esteso sono anche coerenti con l'associazione tra particelle di Ryugu e condriti di CI.
Utilizzando tecniche di microanalisi coordinate (Figura 3 supplementare), abbiamo esaminato la distribuzione spaziale del carbonio organico sull'intera superficie della frazione di fascio ionico focalizzato (FIB) C0068.25 (Figg. 3a–f). Gli spettri di assorbimento dei raggi X a struttura fine del carbonio (NEXAFS) al bordo vicino nella sezione C0068.25 mostrano diversi gruppi funzionali – aromatici o C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH (287,5 eV) e C(=O)O (288,8 eV) – e la struttura del grafene è assente a 291,7 eV (Fig. 3a), il che indica un basso grado di variazione termica. Il forte picco di CH (287,5 eV) dei composti organici parziali di C0068.25 differisce dai composti organici insolubili delle condriti carboniose precedentemente studiate ed è più simile a IDP14 e alle particelle cometarie ottenute dalla missione Stardust. Un forte picco di CH a 287,5 eV e un picco aromatico o C=C molto debole a 285,2 eV indicano che i composti organici sono ricchi di composti alifatici (Fig. 3a e Figura 3a supplementare). Aree ricche di composti organici alifatici sono localizzate nei fillosilicati a grana grossa, così come in aree con una scarsa struttura del carbonio aromatico (o C=C) (Fig. 3c, d). Al contrario, A0037,22 (Fig. 3 supplementare) ha mostrato parzialmente un contenuto inferiore di regioni ricche di carbonio alifatico. La mineralogia sottostante a questi grani è ricca di carbonati, simile a quella della condrite CI 16, suggerendo un'ampia alterazione dell'acqua di sorgente (Tabella Supplementare 1). Le condizioni ossidanti favoriranno concentrazioni più elevate di gruppi funzionali carbonilici e carbossilici nei composti organici associati ai carbonati. La distribuzione submicronica di composti organici con strutture di carbonio alifatico può essere molto diversa dalla distribuzione dei silicati stratificati a grana grossa. Tracce di composti organici alifatici associati a fillosilicato-OH sono state trovate nel meteorite del lago Tagish. Dati microanalitici coordinati suggeriscono che la materia organica ricca di composti alifatici possa essere diffusa negli asteroidi di tipo C e strettamente associata ai fillosilicati. Questa conclusione è coerente con precedenti studi sulla presenza di CH alifatici/aromatici nelle particelle di Ryugu, dimostrati da MicroOmega, un microscopio iperspettrale nel vicino infrarosso. Una questione importante e irrisolta è se le proprietà uniche dei composti organici alifatici ricchi di carbonio associati ai fillosilicati a grana grossa osservati in questo studio si trovino solo sull'asteroide Ryugu.
a, Spettri del carbonio NEXAFS normalizzati a 292 eV nella regione ricca di composti aromatici (C=C) (rosso), nella regione ricca di composti alifatici (verde) e nella matrice (blu). La linea grigia rappresenta lo spettro di composti organici insolubili di Murchison 13 per confronto. au, unità di arbitrato. b, Immagine spettrale di microscopia a raggi X a scansione di trasmissione (STXM) di un bordo K del carbonio che mostra che la sezione è dominata dal carbonio. c, Grafico composito RGB con regioni ricche di composti aromatici (C=C) (rosso), regioni ricche di composti alifatici (verde) e matrice (blu). d, I composti organici ricchi di composti alifatici sono concentrati nel fillosilicato a grana grossa; l'area è ingrandita rispetto ai riquadri tratteggiati bianchi in b e c. e, Grandi nanosfere (ng-1) nell'area ingrandita rispetto ai riquadri tratteggiati bianchi in b e c. Per: pirrotite. Pn: nichel-cromite. f, spettrometria di massa di ioni secondari su scala nanometrica (NanoSIMS), immagini elementari di idrogeno (1H), carbonio (12C) e azoto (12C14N), immagini del rapporto tra elementi 12C/1H e immagini degli isotopi incrociati δD, δ13C e δ15N – Sezione PG-1: grafite presolare con arricchimento estremo di 13C (Tabella supplementare 4).
Studi cinetici sulla degradazione della materia organica nei meteoriti di Murchison possono fornire informazioni importanti sulla distribuzione eterogenea della materia organica alifatica ricca nei grani di Ryugu. Questo studio mostra che i legami CH alifatici nella materia organica persistono fino a una temperatura massima di circa 30 °C alla roccia madre e/o variano in base alle relazioni tempo-temperatura (ad esempio, 200 anni a 100 °C e 0 °C 100 milioni di anni). Se il precursore non viene riscaldato a una data temperatura per più di un certo periodo di tempo, la distribuzione originale di materia organica alifatica ricca di fillosilicato può essere preservata. Tuttavia, le variazioni dell'acqua nella roccia madre possono complicare questa interpretazione, poiché A0037, ricca di carbonati, non mostra regioni alifatiche ricche di carbonio associate ai fillosilicati. Questa bassa variazione di temperatura corrisponde approssimativamente alla presenza di feldspato cubico nei grani di Ryugu (Tabella supplementare 1) 20.
La frazione C0068.25 (ng-1; Fig. 3a–c,e) contiene una grande nanosfera che mostra spettri altamente aromatici (o C=C), moderatamente alifatici e deboli di C(=O)O e C=O. La firma del carbonio alifatico non corrisponde alla firma di composti organici insolubili in massa e nanosfere organiche associate a condriti (Fig. 3a) 17,21. L'analisi spettroscopica Raman e infrarossa delle nanosfere nel lago Tagish ha mostrato che sono costituite da composti organici alifatici e ossidati e da composti organici aromatici policiclici disordinati con una struttura complessa 22,23. Poiché la matrice circostante contiene composti organici ricchi di composti alifatici, la firma del carbonio alifatico in ng-1 potrebbe essere un artefatto analitico. È interessante notare che ng-1 contiene silicati amorfi incorporati (Fig. 3e), una consistenza che non è stata ancora riportata per alcun composto organico extraterrestre. I silicati amorfi possono essere componenti naturali dell'ng-1 o derivare dall'amorfizzazione di silicati acquosi/anidri mediante fascio di ioni e/o elettroni durante l'analisi.
Le immagini ioniche NanoSIMS della sezione C0068.25 (Fig. 3f) mostrano variazioni uniformi in δ13C e δ15N, ad eccezione dei grani presolari con un elevato arricchimento di 13C pari a 30.811‰ (PG-1 nell'immagine δ13C in Fig. 3f) (Tabella supplementare 4). Le immagini a raggi X dei grani elementari e le immagini TEM ad alta risoluzione mostrano solo la concentrazione di carbonio e la distanza tra i piani basali di 0,3 nm, che corrisponde alla grafite. È interessante notare che i valori di δD (841 ± 394‰) e δ15N (169 ± 95‰), arricchiti in materia organica alifatica associata a fillosilicati a grana grossa, risultano leggermente superiori alla media dell'intera regione C (δD = 528 ± 139‰). ‰, δ15N = 67 ± 15‰) in C0068.25 (Tabella supplementare 4). Questa osservazione suggerisce che la materia organica ricca in alifatica nei fillosilicati a grana grossa potrebbe essere più primitiva della materia organica circostante, poiché quest'ultima potrebbe aver subito uno scambio isotopico con l'acqua circostante nel corpo originale. In alternativa, queste variazioni isotopiche potrebbero anche essere correlate al processo di formazione iniziale. Si interpreta che i silicati stratificati a grana fine nelle condriti del CI si siano formati a seguito della continua alterazione degli originali cluster di silicati anidri a grana grossa. La materia organica ricca di alifatici potrebbe essersi formata da molecole precursori nel disco protoplanetario o nel mezzo interstellare prima della formazione del sistema solare, per poi essere leggermente alterata durante i cambiamenti d'acqua del corpo madre Ryugu (grande). Le dimensioni (<1,0 km) di Ryugu sono troppo ridotte per mantenere sufficientemente il calore interno affinché l'alterazione acquosa formi minerali idrati25. Le dimensioni (<1,0 km) di Ryugu sono troppo ridotte per mantenere un calore interno sufficiente a consentire l'alterazione acquosa e la formazione di minerali idrati25. Dimensioni (<1,0 km) Lunghezza del tubo piccolo per consentire l'eliminazione del calore dall'acqua con l'acqua mineralov25. Dimensioni (<1,0 km) Ryugu è troppo piccolo per mantenere sufficiente calore interno affinché l'acqua cambi e formi i minerali necessari25. 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. Misura della lunghezza (<1,0 km) di un piccolo strato di acqua per la rimozione dell'acqua acqua minerale25. Le dimensioni di Ryugu (<1,0 km) sono troppo ridotte per supportare il calore interno necessario a trasformare l'acqua e formare minerali d'acqua25.Pertanto, potrebbero essere necessari predecessori di Ryugu di dimensioni pari a decine di chilometri. La materia organica ricca di composti alifatici può mantenere i rapporti isotopici originali grazie all'associazione con fillosilicati a grana grossa. Tuttavia, l'esatta natura dei trasportatori isotopici pesanti rimane incerta a causa della complessa e delicata miscelazione dei vari componenti in queste frazioni di FIB. Questi possono essere sostanze organiche ricche di composti alifatici nei granuli di Ryugu o fillosilicati grossolani che li circondano. Si noti che la materia organica in quasi tutte le condriti carboniose (comprese le condriti CI) tende ad essere più ricca di D rispetto ai fillosilicati, ad eccezione delle meteoriti CM Paris 24, 26.
Grafici di volume δD e δ15N delle fette di FIB ottenute per le fette di FIB A0002.23 e A0002.26, A0037.22 e A0037.23 e C0068.23, C0068.25 e C0068.26 (un totale di sette fette di FIB da tre particelle di Ryugu). Un confronto di NanoSIMS con altri oggetti del sistema solare è mostrato in figura 4 (Tabella supplementare 4)27,28. Le variazioni di volume di δD e δ15N nei profili A0002, A0037 e C0068 sono coerenti con quelle dell'IDP, ma superiori rispetto alle condriti CM e CI (Fig. 4). Si noti che l'intervallo di valori di δD per il campione della cometa 29 (da -240 a 1655‰) è più ampio di quello di Ryugu. I volumi δD e δ15N dei profili di Ryukyu sono, di norma, inferiori alla media delle comete della famiglia di Giove e della nube di Oort (Fig. 4). I valori δD inferiori delle condriti CI potrebbero riflettere l'influenza della contaminazione terrestre in questi campioni. Date le somiglianze tra Bells, Lago Tagish e IDP, la grande eterogeneità nei valori δD e δN nelle particelle di Ryugu potrebbe riflettere cambiamenti nelle firme isotopiche iniziali delle composizioni organiche e acquose nel sistema solare primordiale. Le simili variazioni isotopiche di δD e δN nelle particelle di Ryugu e IDP suggeriscono che entrambe potrebbero essersi formate da materiale proveniente dalla stessa fonte. Si ritiene che le IDP provengano da fonti cometarie 14 . Pertanto, Ryugu potrebbe contenere materiale simile a una cometa e/o almeno del sistema solare esterno. Tuttavia, questo potrebbe essere più difficile di quanto affermiamo qui a causa (1) della miscela di acqua sferulitica e ricca di D sul corpo genitore 31 e (2) del rapporto D/H della cometa in funzione dell'attività cometaria 32 . Tuttavia, le ragioni dell'eterogeneità osservata degli isotopi di idrogeno e azoto nelle particelle di Ryugu non sono completamente comprese, in parte a causa del numero limitato di analisi disponibili oggi. I risultati dei sistemi di isotopi di idrogeno e azoto sollevano ancora la possibilità che Ryugu contenga la maggior parte del materiale proveniente dall'esterno del Sistema Solare e possa quindi mostrare una certa somiglianza con le comete. Il profilo di Ryugu non ha mostrato alcuna correlazione apparente tra δ13C e δ15N (Tabella supplementare 4).
La composizione isotopica complessiva di H e N delle particelle di Ryugu (cerchi rossi: A0002, A0037; cerchi blu: C0068) è correlata alla magnitudine solare 27, alla famiglia media di Giove (JFC27), alle comete della nube di Oort (OCC27), a IDP28 e ai condruli carboniosi. Confronto con il meteorite 27 (CI, CM, CR, C2-ung). La composizione isotopica è riportata nella Tabella Supplementare 4. Le linee tratteggiate rappresentano i valori degli isotopi terrestri per H e N.
Il trasporto di sostanze volatili (ad esempio materia organica e acqua) sulla Terra rimane una preoccupazione26,27,33. La materia organica submicronica associata ai fillosilicati grossolani nelle particelle di Ryugu identificate in questo studio potrebbe essere un'importante fonte di sostanze volatili. La materia organica nei fillosilicati a grana grossa è meglio protetta dalla degradazione16,34 e dal decadimento35 rispetto alla materia organica nelle matrici a grana fine. La composizione isotopica più pesante dell'idrogeno nelle particelle significa che è improbabile che siano l'unica fonte di sostanze volatili trasportate sulla Terra primordiale. Possono essere mescolate con componenti con una composizione isotopica dell'idrogeno più leggera, come è stato recentemente proposto nell'ipotesi della presenza di acqua spinta dal vento solare nei silicati.
In questo studio, dimostriamo che i meteoriti di Ryugu, nonostante la loro importanza geochimica come rappresentanti della composizione complessiva del sistema solare,6,10 sono campioni terrestri contaminati. Forniamo inoltre prove dirette di interazioni tra la ricca materia organica alifatica e i minerali idrati limitrofi e suggeriamo che Ryugu possa contenere materiale extrasolare37. I risultati di questo studio dimostrano chiaramente l'importanza del campionamento diretto dei protoasteroidi e la necessità di trasportare i campioni di ritorno in condizioni completamente inerti e sterili. Le prove presentate qui dimostrano che le particelle di Ryugu sono senza dubbio uno dei materiali del sistema solare più incontaminati disponibili per la ricerca di laboratorio, e un ulteriore studio di questi preziosi campioni amplierà senza dubbio la nostra comprensione dei processi primordiali del sistema solare. Le particelle di Ryugu sono la migliore rappresentazione della composizione complessiva del sistema solare.
Per determinare la complessa microstruttura e le proprietà chimiche di campioni di scala submicronica, abbiamo utilizzato la tomografia computerizzata a luce di sincrotrone (SR-XCT) e la diffrazione dei raggi X SR (XRD)-CT, analisi FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM. Non si è riscontrata alcuna degradazione, inquinamento atmosferico o danni da particelle fini o campioni meccanici. Nel frattempo, abbiamo eseguito un'analisi volumetrica sistematica utilizzando microscopia elettronica a scansione (SEM)-EDS, EPMA, XRD, analisi di attivazione neutronica strumentale (INAA) e apparecchiature per la fluorurazione laser degli isotopi di ossigeno. Le procedure di analisi sono illustrate nella Figura 3 integrativa e ciascuna analisi è descritta nelle sezioni seguenti.
Particelle provenienti dall'asteroide Ryugu sono state recuperate dal modulo di rientro Hayabusa-2 e consegnate al Centro di Controllo JAXA di Sagamihara, in Giappone, senza inquinare l'atmosfera terrestre4. Dopo la caratterizzazione iniziale e non distruttiva presso una struttura gestita dalla JAXA, utilizzare contenitori di trasferimento inter-sito sigillabili e buste per capsule di campionamento (in cristallo zaffiro e acciaio inossidabile con diametro di 10 o 15 mm, a seconda delle dimensioni del campione) per evitare interferenze ambientali. contaminanti dell'ambiente e/o del terreno (ad esempio vapore acqueo, idrocarburi, gas atmosferici e particolato fine) e contaminazione incrociata tra i campioni durante la preparazione e il trasporto tra istituti e università38. Per evitare il degrado e l'inquinamento dovuti all'interazione con l'atmosfera terrestre (vapore acqueo e ossigeno), tutti i tipi di preparazione del campione (inclusa la scheggiatura con uno scalpello al tantalio, utilizzando una sega a filo diamantato bilanciata (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) e il taglio della resina epossidica) sono stati eseguiti in glovebox sotto N₂ pulito e asciutto (punto di rugiada: da -80 a -60 °C, O₂ ~50-100 ppm). Tutti gli elementi utilizzati vengono puliti con una combinazione di acqua ultrapura ed etanolo utilizzando onde ultrasoniche a diverse frequenze.
Qui studiamo la collezione di meteoriti del National Polar Research Institute (NIPR) dell'Antarctic Meteorite Research Center (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 e CY: Y 980115).
Per il trasferimento tra strumenti per analisi SR-XCT, NanoSIMS, STXM-NEXAFS e TEM, abbiamo utilizzato il portacampioni universale ultrasottile descritto in studi precedenti38.
L'analisi SR-XCT dei campioni di Ryugu è stata eseguita utilizzando il sistema TC integrato BL20XU/SPring-8. Il sistema TC integrato offre diverse modalità di misurazione: modalità ad ampio campo visivo e bassa risoluzione (WL) per acquisire l'intera struttura del campione, modalità a campo visivo stretto e alta risoluzione (NH) per una misurazione accurata dell'area del campione. È inoltre possibile utilizzare immagini di interesse e radiografie per ottenere un modello di diffrazione del volume del campione, ed eseguire una XRD-CT per ottenere un diagramma 2D delle fasi minerali sul piano orizzontale presenti nel campione. Si noti che tutte le misurazioni possono essere eseguite senza utilizzare il sistema integrato per rimuovere il portacampione dalla base, consentendo misurazioni TC e XRD-CT accurate. Il rivelatore di raggi X in modalità WL (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) era dotato di una fotocamera CMOS (metal-oxide-semiconductor) aggiuntiva da 4608 × 4608 pixel (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) con uno scintillatore costituito da un monocristallo di granato di lutezio-alluminio dello spessore di 10 µm (Lu3Al5O12:Ce) e una lente a relè. La dimensione dei pixel in modalità WL è di circa 0,848 µm. Pertanto, il campo visivo (FOV) in modalità WL è di circa 6 mm in modalità CT offset. Il rivelatore a raggi X in modalità NH (BM AA50; Hamamatsu Photonics) era dotato di uno scintillatore in granato di gadolinio-alluminio-gallio (Gd3Al2Ga3O12) da 20 µm di spessore, una fotocamera CMOS (C11440-22CU) con una risoluzione di 2048 × 2048 pixel (Hamatsu Photonics) e una lente ×20. La dimensione dei pixel in modalità NH è di circa 0,25 µm e il campo visivo è di circa 0,5 mm. Il rivelatore per la modalità XRD (BM AA60; Hamamatsu Photonics) era dotato di uno scintillatore costituito da uno schermo in polvere P43 (Gd2O2S:Tb) da 50 µm di spessore, una fotocamera CMOS con risoluzione di 2304 × 2304 pixel (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) e una lente a relè. Il rivelatore ha una dimensione effettiva dei pixel di 19,05 µm e un campo visivo di 43,9 mm². Per aumentare il campo visivo (FOV), abbiamo applicato una procedura TC offset in modalità WL. L'immagine a luce trasmessa per la ricostruzione TC consiste in un'immagine nell'intervallo da 180° a 360° riflessa orizzontalmente attorno all'asse di rotazione e un'immagine nell'intervallo da 0° a 180°.
In modalità XRD, il fascio di raggi X viene focalizzato da una piastra a zona di Fresnel. In questa modalità, il rivelatore è posizionato 110 mm dietro il campione e il punto di arresto del fascio è posizionato 3 mm davanti al rivelatore. Immagini di diffrazione nell'intervallo 2θ da 1,43° a 18,00° (passo del reticolo d = 16,6–1,32 Å) sono state ottenute con lo spot di raggi X focalizzato sul fondo del campo visivo del rivelatore. Il campione si muove verticalmente a intervalli regolari, con mezzo giro per ogni passo di scansione verticale. Se le particelle minerali soddisfano la condizione di Bragg quando ruotate di 180°, è possibile ottenere la diffrazione delle particelle minerali sul piano orizzontale. Le immagini di diffrazione sono state quindi combinate in un'unica immagine per ogni passo di scansione verticale. Le condizioni del test SR-XRD-CT sono pressoché le stesse di quelle del test SR-XRD. In modalità XRD-CT, il rivelatore è posizionato 69 mm dietro il campione. Le immagini di diffrazione nell'intervallo 2θ variano da 1,2° a 17,68° (d = da 19,73 a 1,35 Å), dove sia il fascio di raggi X che il limitatore di fascio sono allineati con il centro del campo visivo del rivelatore. Scansionare il campione orizzontalmente e ruotarlo di 180°. Le immagini SR-XRD-CT sono state ricostruite con le intensità di picco dei minerali come valori di pixel. Con la scansione orizzontale, la scansione del campione viene in genere eseguita in 500-1000 passi.
Per tutti gli esperimenti, l'energia dei raggi X è stata fissata a 30 keV, poiché questo rappresenta il limite inferiore di penetrazione dei raggi X in meteoriti con un diametro di circa 6 mm. Il numero di immagini acquisite per tutte le misurazioni TC durante la rotazione di 180° è stato di 1800 (3600 per il programma TC offset) e il tempo di esposizione per le immagini è stato di 100 ms per la modalità WL, 300 ms per la modalità NH, 500 ms per XRD e 50 ms per XRD-CT. Il tempo di scansione tipico del campione è di circa 10 minuti in modalità WL, 15 minuti in modalità NH, 3 ore per XRD e 8 ore per SR-XRD-CT.
Le immagini TC sono state ricostruite mediante retroproiezione convoluzionale e normalizzate per un coefficiente di attenuazione lineare da 0 a 80 cm-1. Il software Slice è stato utilizzato per analizzare i dati 3D e il software muXRD per analizzare i dati XRD.
Le particelle di Ryugu fissate con resina epossidica (A0029, A0037, C0009, C0014 e C0068) sono state gradualmente lucidate in superficie fino a raggiungere il livello di un film diamantato da 0,5 µm (3M) in condizioni di asciutto, evitando il contatto del materiale con la superficie durante il processo di lucidatura. La superficie lucidata di ciascun campione è stata prima esaminata al microscopio ottico e poi con elettroni retrodiffusi per ottenere immagini mineralogiche e strutturali (BSE) dei campioni e immagini qualitative degli elementi NIPR utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) JEOL JSM-7100F dotato di spettrometro a dispersione di energia (AZtec). Per ciascun campione, il contenuto di elementi maggiori e minori è stato analizzato utilizzando un microanalizzatore a sonda elettronica (EPMA, JEOL JXA-8200). Analizzare particelle di fillosilicato e carbonato a 5 nA, standard naturali e sintetici a 15 keV, solfuri, magnetite, olivina e pirosseno a 30 nA. I gradi modali sono stati calcolati a partire da mappe elementari e immagini BSE utilizzando il software ImageJ 1.53 con soglie appropriate impostate arbitrariamente per ciascun minerale.
L'analisi degli isotopi di ossigeno è stata eseguita presso l'Open University (Milton Keynes, Regno Unito) utilizzando un sistema di fluorurazione laser a infrarossi. I campioni di Hayabusa2 sono stati consegnati all'Open University 38 in contenitori riempiti di azoto per il trasferimento tra le strutture.
Il caricamento del campione è stato eseguito in una glove box riempita di azoto con un livello di ossigeno monitorato inferiore allo 0,1%. Per le analisi di Hayabusa2, è stato realizzato un nuovo portacampioni di Ni, costituito da due soli fori (diametro 2,5 mm, profondità 5 mm), uno per le particelle di Hayabusa2 e l'altro per lo standard interno di ossidiana. Durante l'analisi, il pozzetto contenente il materiale Hayabusa2 è stato coperto da una finestra interna in BaF2 di circa 1 mm di spessore e 3 mm di diametro per contenere il campione durante la reazione laser. Il flusso di BrF5 verso il campione è stato mantenuto da un canale di miscelazione del gas ricavato nel portacampioni di Ni. Anche la camera del campione è stata riconfigurata in modo da poter essere rimossa dalla linea di fluorurazione sotto vuoto e quindi aperta in una glove box riempita di azoto. La camera in due pezzi è stata sigillata con una guarnizione di compressione in rame e un morsetto a catena EVAC Quick Release CeFIX 38. Una finestra in BaF2 di 3 mm di spessore sulla parte superiore della camera consente l'osservazione simultanea del campione e del riscaldamento laser. Dopo aver caricato il campione, bloccare nuovamente la camera e ricollegarla alla linea fluorurata. Prima dell'analisi, la camera del campione è stata riscaldata sotto vuoto a circa 95 °C per una notte per rimuovere l'umidità adsorbita. Dopo il riscaldamento notturno, la camera è stata lasciata raffreddare a temperatura ambiente e quindi la parte esposta all'atmosfera durante il trasferimento del campione è stata spurgata con tre aliquote di BrF5 per rimuovere l'umidità. Queste procedure garantiscono che il campione Hayabusa 2 non sia esposto all'atmosfera e non sia contaminato dall'umidità proveniente dalla parte della linea fluorurata che viene scaricata in atmosfera durante il caricamento del campione.
I campioni di particelle di Ryugu C0014-4 e Orgueil (CI) sono stati analizzati in una modalità "singola" modificata42, mentre l'analisi di Y-82162 (CY) è stata eseguita su un singolo vassoio con più pozzetti per campioni41. Grazie alla loro composizione anidra, non è necessario utilizzare un singolo metodo per le condriti CY. I campioni sono stati riscaldati utilizzando un laser a CO2 a infrarossi di Photon Machines Inc., con potenza di 50 W (10,6 µm), montato sul portale XYZ in presenza di BrF5. Il sistema video integrato monitora l'andamento della reazione. Dopo la fluorurazione, l'O2 liberato è stato depurato utilizzando due trappole di azoto criogeniche e un letto riscaldato di KBr per rimuovere l'eventuale eccesso di fluoro. La composizione isotopica dell'ossigeno purificato è stata analizzata su uno spettrometro di massa a doppio canale Thermo Fisher MAT 253 con una risoluzione di massa di circa 200.
In alcuni casi, la quantità di O₂ gassoso rilasciata durante la reazione del campione era inferiore a 140 µg, che rappresenta il limite approssimativo di utilizzo del dispositivo a soffietto dello spettrometro di massa MAT 253. In questi casi, utilizzare microvolumi per l'analisi. Dopo l'analisi delle particelle di Hayabusa2, lo standard interno di ossidiana è stato fluorurato e ne è stata determinata la composizione isotopica dell'ossigeno.
Gli ioni del frammento NF+ NF3+ interferiscono con il fascio di massa 33 (16O17O). Per eliminare questo potenziale problema, la maggior parte dei campioni viene processata utilizzando procedure di separazione criogenica. Questa può essere effettuata in avanti prima dell'analisi MAT 253 o come seconda analisi, reiniettando il gas analizzato nello speciale setaccio molecolare e ripassandolo dopo la separazione criogenica. La separazione criogenica prevede l'immissione di gas in un setaccio molecolare alla temperatura dell'azoto liquido e il suo successivo scarico in un setaccio molecolare primario a una temperatura di -130 °C. Test approfonditi hanno dimostrato che l'NF+ rimane sul primo setaccio molecolare e che con questo metodo non si verifica alcun frazionamento significativo.
Sulla base di ripetute analisi dei nostri standard interni di ossidiana, la precisione complessiva del sistema in modalità soffietto è: ±0,053‰ per δ17O, ±0,095‰ per δ18O, ±0,018‰ per Δ17O (2 ds). L'analisi degli isotopi di ossigeno è espressa nella notazione standard delta, dove delta18O è calcolato come:
Utilizzare anche il rapporto 17O/16O per δ17O. VSMOW è lo standard internazionale per il Vienna Mean Sea Water Standard. Δ17O rappresenta la deviazione dalla linea di frazionamento terrestre e la formula di calcolo è: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Tutti i dati presentati nella Tabella Supplementare 3 sono stati corretti per gli intervalli.
Sezioni di circa 150-200 nm di spessore sono state estratte da particelle di Ryugu utilizzando uno strumento Hitachi High Tech SMI4050 FIB presso il JAMSTEC, Kochi Core Sampling Institute. Si noti che tutte le sezioni FIB sono state recuperate da frammenti non trattati di particelle non trattate, dopo essere state rimosse da contenitori riempiti di gas N2 per il trasferimento inter-oggetto. Questi frammenti non sono stati misurati mediante SR-CT, ma sono stati trattati con una minima esposizione all'atmosfera terrestre per evitare potenziali danni e contaminazioni che avrebbero potuto influenzare lo spettro K-edge del carbonio. Dopo la deposizione di uno strato protettivo di tungsteno, la regione di interesse (fino a 25 × 25 μm²) è stata tagliata e assottigliata con un fascio di ioni Ga+ a una tensione di accelerazione di 30 kV, quindi a 5 kV e una corrente di sonda di 40 pA per minimizzare il danno superficiale. Le sezioni ultrasottili sono state quindi posizionate su una maglia di rame allargata (maglia Kochi) 39 utilizzando un micromanipolatore dotato di FIB.
I pellet di Ryugu A0098 (1,6303 mg) e C0068 (0,6483 mg) sono stati sigillati due volte in fogli di polietilene puro ad alta purezza in una glove box riempita di azoto puro sullo SPring-8, senza alcuna interazione con l'atmosfera terrestre. La preparazione del campione per JB-1 (una roccia di riferimento geologico rilasciata dal Geological Survey of Japan) è stata effettuata presso la Tokyo Metropolitan University.
L'INAA si svolge presso l'Istituto per le Scienze Nucleari e le Radiazioni Integrate dell'Università di Kyoto. I campioni sono stati irradiati due volte con diversi cicli di irradiazione scelti in base all'emivita del nuclide utilizzato per la quantificazione degli elementi. Innanzitutto, il campione è stato irradiato in un tubo di irradiazione pneumatico per 30 secondi. I flussi di neutroni termici e veloci in figura 3 sono rispettivamente 4,6 × 1012 e 9,6 × 1011 cm⁻⁻¹ s⁻¹, per determinare i contenuti di Mg, Al, Ca, Ti, V e Mn. Anche sostanze chimiche come MgO (purezza del 99,99%, Soekawa Chemical), Al (purezza del 99,9%, Soekawa Chemical) e Si metallico (purezza del 99,999%, FUJIFILM Wako Pure Chemical) sono state irradiate per correggere reazioni nucleari interferenti come (n, n). Il campione è stato inoltre irradiato con cloruro di sodio (purezza 99,99%; MANAC) per correggere le variazioni nel flusso di neutroni.
Dopo l'irradiazione neutronica, il foglio esterno di polietilene è stato sostituito con uno nuovo e la radiazione gamma emessa dal campione e dal riferimento è stata immediatamente misurata con un rivelatore al Ge. Gli stessi campioni sono stati nuovamente irradiati per 4 ore in un tubo di irradiazione pneumatico. 2 presenta flussi di neutroni termici e veloci rispettivamente di 5,6 1012 e 1,2 1012 cm-2 s-1, per la determinazione di Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Contenuto di Se, Sb, Os, Ir e Au. Campioni di controllo di Ga, As, Se, Sb, Os, Ir e Au sono stati irradiati applicando quantità appropriate (da 10 a 50 μg) di soluzioni standard a concentrazione nota di questi elementi su due fogli di carta da filtro, seguite dall'irradiazione dei campioni. Il conteggio dei raggi gamma è stato eseguito presso l'Istituto di Radiazioni Integrate e Scienze Nucleari dell'Università di Kyoto e il Centro di Ricerca RI della Tokyo Metropolitan University. Le procedure analitiche e i materiali di riferimento per la determinazione quantitativa degli elementi INAA sono gli stessi descritti nel nostro lavoro precedente.
È stato utilizzato un diffrattometro a raggi X (Rigaku SmartLab) per raccogliere i modelli di diffrazione dei campioni Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) e C0087 (<1 mg) presso il NIPR. È stato utilizzato un diffrattometro a raggi X (Rigaku SmartLab) per raccogliere i modelli di diffrazione dei campioni Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) e C0087 (<1 mg) presso il NIPR. Difrattometro a noleggio (Rigaku SmartLab) utilizzato per la creazione di schede diapositive Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 мг) è C0087 (<1 мг) в NIPR. È stato utilizzato un diffrattometro a raggi X (Rigaku SmartLab) per raccogliere modelli di diffrazione dei campioni Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) e C0087 (<1 mg) nel NIPR.使用X 射线衍射仪(Rigaku SmartLab) 在NIPR 收集Ryugu 样品A0029 (<1 mg)、A0037 (<1 mg) 和C0087 (<1 mg) 的衍射图案.使用X 射线衍射仪(Rigaku SmartLab) 在NIPR 收集Ryugu 样品A0029 (<1 mg)、A0037 (<1 mg) 和C0087 (<1 mg) 的衍射图案. L'immagine grafica Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) e C0087 (<1 mg) sono state utilizzate in NIPR con l'uso рентгеновского дифрактометра (Rigaku SmartLab). I modelli di diffrazione dei raggi X dei campioni Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) e C0087 (<1 mg) sono stati ottenuti presso il NIPR utilizzando un diffrattometro a raggi X (Rigaku SmartLab).Tutti i campioni sono stati macinati in una polvere fine su un wafer di silicio non riflettente utilizzando una lastra di vetro zaffiro e quindi distribuiti uniformemente sul wafer di silicio non riflettente senza alcun liquido (acqua o alcol). Le condizioni di misura sono le seguenti: la radiazione a raggi X di Cu Kα viene generata a una tensione del tubo di 40 kV e una corrente del tubo di 40 mA, la lunghezza limite della fenditura è di 10 mm, l'angolo di divergenza è di (1/6)°, la velocità di rotazione nel piano è di 20 giri al minuto e l'intervallo è 2θ (doppio angolo di Bragg) è 3-100° e richiede circa 28 ore per l'analisi. È stata utilizzata un'ottica Bragg Brentano. Il rivelatore è un rivelatore a semiconduttore di silicio monodimensionale (D/teX Ultra 250). I raggi X di Cu Kβ sono stati rimossi utilizzando un filtro al nichel. Utilizzando i campioni disponibili, sono state confrontate le misurazioni di saponite magnesiaca sintetica (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd), serpentino (serpentino fogliare, Miyazu, Nikka) e pirrotite (monoclina 4C, Chihua, Messico Watts) per identificare i picchi e utilizzare i dati di diffrazione di file di polveri dell'International Center for Diffraction Data, dolomite (PDF 01-071-1662) e magnetite (PDF 00-019-0629). I dati di diffrazione di Ryugu sono stati inoltre confrontati con i dati su condriti carboniose idroalterate, Orgueil CI, Y-791198 CM2.4 e Y-980115 CY (stadio di riscaldamento III, 500-750 °C). Il confronto ha mostrato somiglianze con Orgueil, ma non con Y-791198 e Y-980115.
Gli spettri NEXAFS con K al bordo del carbonio di sezioni ultrasottili di campioni ottenuti da FIB sono stati misurati utilizzando il canale STXM BL4U presso il sincrotrone UVSOR dell'Istituto di Scienze Molecolari (Okazaki, Giappone). La dimensione dello spot di un fascio focalizzato otticamente con una piastra a zona di Fresnel è di circa 50 nm. L'incremento energetico è di 0,1 eV per la struttura fine della regione del bordo vicino (283,6-292,0 eV) e di 0,5 eV (280,0-283,5 eV e 292,5-300,0 eV) per le regioni frontali e posteriori. Il tempo per ciascun pixel dell'immagine è stato impostato a 2 ms. Dopo l'evacuazione, la camera analitica STXM è stata riempita di elio a una pressione di circa 20 mbar. Ciò contribuisce a ridurre al minimo la deriva termica dell'apparecchiatura ottica a raggi X nella camera e nel portacampione, nonché a ridurre il danneggiamento e/o l'ossidazione del campione. Gli spettri del carbonio NEXAFS K-edge sono stati generati da dati sovrapposti utilizzando il software aXis2000 e il software proprietario di elaborazione dati STXM. Si noti che la valigetta di trasferimento del campione e la glovebox vengono utilizzate per evitare l'ossidazione e la contaminazione del campione.
A seguito dell'analisi STXM-NEXAFS, la composizione isotopica di idrogeno, carbonio e azoto delle fette di FIB di Ryugu è stata analizzata utilizzando l'imaging isotopico con un JAMSTEC NanoSIMS 50L. Un fascio primario focalizzato di Cs+ di circa 2 pA per l'analisi degli isotopi di carbonio e azoto e di circa 13 pA per l'analisi degli isotopi di idrogeno è rasterizzato su un'area di circa 24 × 24 µm² - 30 × 30 µm² sul campione. Dopo un prespray di 3 minuti a una corrente del fascio primario relativamente forte, ciascuna analisi è stata avviata dopo la stabilizzazione dell'intensità del fascio secondario. Per l'analisi degli isotopi del carbonio e dell'azoto, le immagini di 12C-, 13C-, 16O-, 12C14N- e 12C15N- sono state ottenute simultaneamente utilizzando un rivelatore multiplex a sette moltiplicatori di elettroni con una risoluzione di massa di circa 9000, sufficiente a separare tutti i composti isotopici rilevanti. interferenza (ad esempio 12C1H su 13C e 13C14N su 12C15N). Per l'analisi degli isotopi dell'idrogeno, le immagini di 1H-, 2D- e 12C- sono state ottenute con una risoluzione di massa di circa 3000 con rivelazione multipla utilizzando tre moltiplicatori di elettroni. Ogni analisi consiste di 30 immagini scansionate della stessa area, con un'immagine composta da 256 × 256 pixel per l'analisi degli isotopi del carbonio e dell'azoto e 128 × 128 pixel per l'analisi degli isotopi dell'idrogeno. Il tempo di ritardo è di 3000 µs per pixel per l'analisi degli isotopi di carbonio e azoto e di 5000 µs per pixel per l'analisi degli isotopi di idrogeno. Abbiamo utilizzato l'idrato di 1-idrossibenzotriazolo come standard di isotopi di idrogeno, carbonio e azoto per calibrare il frazionamento di massa strumentale45.
Per determinare la composizione isotopica del silicio della grafite presolare nel profilo FIB C0068-25, abbiamo utilizzato sei moltiplicatori di elettroni con una risoluzione di massa di circa 9000. Le immagini sono composte da 256 × 256 pixel con un tempo di ritardo di 3000 µs per pixel. Abbiamo calibrato uno strumento di frazionamento di massa utilizzando wafer di silicio come standard per gli isotopi di idrogeno, carbonio e silicio.
Le immagini degli isotopi sono state elaborate utilizzando il software di imaging NanoSIMS45 della NASA. I dati sono stati corretti per il tempo morto del moltiplicatore di elettroni (44 ns) e per gli effetti di arrivo quasi simultaneo. È stato utilizzato un diverso allineamento di scansione per ciascuna immagine per correggere la deriva dell'immagine durante l'acquisizione. L'immagine isotopica finale viene creata aggiungendo ioni secondari da ciascuna immagine per ciascun pixel di scansione.
Dopo l'analisi STXM-NEXAFS e NanoSIMS, le stesse sezioni di FIB sono state esaminate utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (JEOL JEM-ARM200F) a una tensione di accelerazione di 200 kV presso Kochi, JAMSTEC. La microstruttura è stata osservata utilizzando un TEM in campo chiaro e un TEM a scansione ad alto angolo in campo oscuro. Le fasi minerali sono state identificate mediante diffrazione elettronica spot e imaging a bande reticolari, e l'analisi chimica è stata eseguita mediante EDS con un rivelatore a deriva al silicio da 100 mm² e il software JEOL Analysis Station 4.30. Per l'analisi quantitativa, l'intensità caratteristica dei raggi X per ciascun elemento è stata misurata in modalità di scansione TEM con un tempo di acquisizione dati fisso di 30 s, un'area di scansione del fascio di ~100 × 100 nm² e una corrente del fascio di 50 pA. Il rapporto (Si + Al)-Mg-Fe nei silicati stratificati è stato determinato utilizzando il coefficiente sperimentale k, corretto per lo spessore, ottenuto da uno standard di piropagano naturale.
Tutte le immagini e le analisi utilizzate in questo studio sono disponibili sul sistema di archiviazione e comunicazione dati JAXA (DARTS) https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2. Questo articolo fornisce i dati originali.
Kitari, K. et al. Composizione superficiale dell'asteroide 162173 Ryugu osservata dallo strumento Hayabusa2 NIRS3. Science 364, pp. 272–275.
Kim, AJ Condriti carboniose di tipo Yamato (CY): analoghi della superficie dell'asteroide Ryugu? Geochimica 79, 125531 (2019).
Pilorjet, S. et al. La prima analisi composizionale di campioni di Ryugu è stata eseguita utilizzando un microscopio iperspettrale MicroOmega. National Astron. 6, 221–225 (2021).
Yada, T. et al. Analisi preliminare del campione Hyabusa2 restituito dall'asteroide di tipo C Ryugu. National Astron. 6, 214–220 (2021).