Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Vluchtige en organische C-type asteroïden zijn mogelijk een van de belangrijkste bronnen van water op aarde. Momenteel geven koolstofhoudende chondrieten het beste beeld van hun chemische samenstelling, maar informatie over meteorieten is vertekend: alleen de meest duurzame typen overleven de atmosfeer en de daaropvolgende interactie met de aardse omgeving. Hier presenteren we de resultaten van een gedetailleerd volumetrisch en microanalytisch onderzoek van het primaire Ryugu-deeltje dat door de Hayabusa-2 ruimtesonde naar de aarde is gebracht. Ryugu-deeltjes vertonen een sterke overeenkomst in samenstelling met chemisch ongefractioneerde maar door water veranderde CI-chondrieten (Iwuna-type), die veelvuldig worden gebruikt als indicator voor de algehele samenstelling van het zonnestelsel. Dit exemplaar vertoont een complexe ruimtelijke relatie tussen rijke alifatische organische stoffen en gelaagde silicaten en duidt op een maximale temperatuur van ongeveer 30 °C tijdens watererosie. We vonden een overvloed aan deuterium en diazonium die consistent is met een extrasolaire oorsprong. Ryugu-deeltjes zijn het meest onverontreinigde en onscheidbare buitenaardse materiaal dat ooit is bestudeerd en passen het beste bij de algehele samenstelling van het zonnestelsel.
Van juni 2018 tot november 2019 voerde de Hayabusa2-ruimtevaartuig van het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA een uitgebreid onderzoek op afstand uit naar asteroïde Ryugu. Gegevens van de nabij-infraroodspectrometer (NIRS3) aan boord van Hayabusa-2 suggereren dat Ryugu mogelijk is samengesteld uit een materiaal dat lijkt op thermisch en/of schokmetamorfe koolstofchondrieten. De meest overeenkomende samenstelling is CY-chondriet (Yamato-type) 2. De lage albedo van Ryugu kan worden verklaard door de aanwezigheid van een groot aantal koolstofrijke componenten, evenals de deeltjesgrootte, porositeit en ruimtelijke verwering. De Hayabusa-2-ruimtevaartuig landde tweemaal op Ryugu en verzamelde monsters. Tijdens de eerste landing op 21 februari 2019 werd oppervlaktemateriaal verzameld, dat werd opgeslagen in compartiment A van de terugkeercapsule. Tijdens de tweede landing op 11 juli 2019 werd materiaal verzameld nabij een kunstmatige krater, gevormd door een kleine, draagbare impactor. Deze monsters worden bewaard in Ward C. De eerste niet-destructieve karakterisering van de deeltjes in Fase 1 in speciale, onverontreinigde en met zuivere stikstof gevulde kamers in door JAXA beheerde faciliteiten wees uit dat de Ryugu-deeltjes het meest op CI4-chondrieten leken en "verschillende niveaus van variatie" vertoonden³. De schijnbaar tegenstrijdige classificatie van Ryugu, vergelijkbaar met CY- of CI-chondrieten, kan alleen worden opgelost door gedetailleerde isotopische, elementaire en mineralogische karakterisering van Ryugu-deeltjes. De hier gepresenteerde resultaten bieden een solide basis om te bepalen welke van deze twee voorlopige verklaringen voor de algehele samenstelling van asteroïde Ryugu het meest waarschijnlijk is.
Acht Ryugu-korrels (in totaal ongeveer 60 mg), vier uit Kamer A en vier uit Kamer C, werden toegewezen aan Fase 2 om te worden beheerd door het team in Kochi. Het hoofddoel van het onderzoek is om de aard, oorsprong en evolutionaire geschiedenis van de asteroïde Ryugu op te helderen en om overeenkomsten en verschillen te documenteren met andere bekende buitenaardse objecten zoals chondrieten, interplanetaire stofdeeltjes (IDP's) en terugkerende kometen. De monsters werden verzameld door NASA's Stardust-missie.
Gedetailleerde mineralogische analyse van vijf Ryugu-korrels (A0029, A0037, C0009, C0014 en C0068) toonde aan dat ze hoofdzakelijk bestaan ​​uit fijn- en grofkorrelige fylosilicaten (~64–88 vol.%; Fig. 1a, b, Aanvullende Fig. 1 en aanvullende tabel 1). Grofkorrelige fylosilicaten komen voor als geveerde aggregaten (tot tientallen micrometers groot) in fijnkorrelige, fylosilicatenrijke matrices (minder dan een paar micrometers groot). Gelaagde silicaatdeeltjes zijn serpentijn-saponiet-symbionten (Fig. 1c). De (Si + Al)-Mg-Fe-kaart laat ook zien dat de bulk van de gelaagde silicaatmatrix een intermediaire samenstelling heeft tussen serpentijn en saponiet (Fig. 2a, b). De fyllosilicatenmatrix bevat carbonaatmineralen (~2–21 vol.%), sulfidemineralen (~2,4–5,5 vol.%) en magnetiet (~3,6–6,8 vol.%). Een van de in dit onderzoek bestudeerde deeltjes (C0009) bevatte een kleine hoeveelheid (~0,5 vol.%) watervrije silicaten (olivijn en pyroxeen), wat mogelijk kan helpen bij het identificeren van het bronmateriaal waaruit de ruwe Ryugu-steen is samengesteld⁵. Dit watervrije silicaat is zeldzaam in Ryugu-korrels en werd alleen positief geïdentificeerd in korrel C0009. Carbonaten zijn in de matrix aanwezig als fragmenten (minder dan een paar honderd micron), voornamelijk dolomiet, met kleine hoeveelheden calciumcarbonaat en brinell. Magnetiet komt voor als geïsoleerde deeltjes, framboïden, platen of bolvormige aggregaten. Sulfiden worden voornamelijk vertegenwoordigd door pyrrhotiet in de vorm van onregelmatige hexagonale prisma's/platen of latten. De matrix bevat een grote hoeveelheid submicron pentlandiet, al dan niet in combinatie met pyrrhotiet. Koolstofrijke fasen (<10 µm groot) komen overal voor in de fyllosilicatenrijke matrix. Koolstofrijke fasen (<10 µm groot) komen overal voor in de fyllosilicatenrijke matrix. Meer informatie (<10 jaar) is mogelijk in het buitenland Controleer het apparaat. Koolstofrijke fasen (<10 µm groot) komen overal voor in de fyllosilicatenrijke matrix.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。 Богатые углеродом фазы (размером <10 мкм) преобладают in богатой филлосиликатами матрице. In de fyllosilicatenrijke matrix overheersen koolstofrijke fasen (<10 µm groot).Andere nevenmineralen worden weergegeven in Aanvullende Tabel 1. De lijst met mineralen die is bepaald aan de hand van het röntgendiffractiepatroon van het mengsel C0087, A0029 en A0037 komt zeer goed overeen met die bepaald in de CI (Orgueil) chondriet, maar verschilt sterk van de CY en CM (Mighei type) chondrieten (Figuur 1 met uitgebreide gegevens en Aanvullende Figuur 2). Het totale elementgehalte van Ryugu-korrels (A0098, C0068) komt ook overeen met chondriet 6 CI (uitgebreide gegevens, Figuur 2 en Aanvullende Tabel 2). CM-chondrieten daarentegen zijn arm aan matig en zeer vluchtige elementen, met name Mn en Zn, en bevatten meer vuurvaste elementen7. De concentraties van sommige elementen variëren sterk, wat een weerspiegeling kan zijn van de inherente heterogeniteit van het monster als gevolg van de kleine omvang van de individuele deeltjes en de daaruit voortvloeiende vertekening in de monstername. Alle petrologische, mineralogische en elementaire kenmerken wijzen erop dat Ryugu-korrels sterk lijken op chondrieten CI8,9,10. Een opvallende uitzondering is de afwezigheid van ferrihydriet en sulfaat in Ryugu-korrels, wat suggereert dat deze mineralen in CI-chondrieten zijn gevormd door aardse verwering.
a, Samengestelde röntgenfoto van Mg Kα (rood), Ca Kα (groen), Fe Kα (blauw) en S Kα (geel) van een droog gepolijst preparaat C0068. De fractie bestaat uit gelaagde silicaten (rood: ~88 vol%), carbonaten (dolomiet; lichtgroen: ~1,6 vol%), magnetiet (blauw: ~5,3 vol%) en sulfiden (geel: sulfide = ~2,5 vol%). b, Afbeelding van het contourgebied in terugverstrooide elektronen op a. Bru – onrijp; Dole – dolomiet; FeS is ijzersulfide; Mag – magnetiet; juice – speksteen; Srp – serpentijn. c, Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-afbeelding met hoge resolutie van een typische saponiet-serpentijn-intergroei, waarop serpentijn- en saponietroosterbanden van respectievelijk 0,7 nm en 1,1 nm te zien zijn.
De samenstelling van de matrix en gelaagde silicaten (at %) van Ryugu A0037 (volle rode cirkels) en C0068 (volle blauwe cirkels) deeltjes wordt weergegeven in het (Si+Al)-Mg-Fe ternaire systeem. a, Resultaten van elektronenmicrosonde-analyse (EPMA) uitgezet tegen CI-chondrieten (Ivuna, Orgueil, Alais)16, weergegeven in grijs ter vergelijking. b, Scanning TEM (STEM) en energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) analyse weergegeven ter vergelijking met Orgueil9 en Murchison46 meteorieten en gehydrateerde IDP47. Fijnkorrelige en grofkorrelige fylosilicaten werden geanalyseerd, waarbij kleine ijzersulfidedeeltjes werden vermeden. De stippellijnen in a en b tonen de oplossingslijnen van saponiet en serpentijn. De ijzerrijke samenstelling in a kan te wijten zijn aan submicron ijzersulfidekorrels binnen de gelaagde silicaatkorrels, wat niet kan worden uitgesloten door de ruimtelijke resolutie van de EPMA-analyse. Datapunten met een hoger Si-gehalte dan de saponiet in b kunnen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van nanoschaal amorf siliciumrijk materiaal in de tussenruimten van de fyllosilicatenlaag. Aantal analyses: N=69 voor A0037, N=68 voor EPMA, N=68 voor C0068, N=19 voor A0037 en N=27 voor C0068 voor STEM-EDS. c, isotopenkaart van trioxydeeltje Ryugu C0014-4 vergeleken met chondrietwaarden CI (Orgueil), CY (Y-82162) en literatuurgegevens (CM en C2-ung)41,48,49. We hebben gegevens verkregen voor de Orgueil- en Y-82162-meteorieten. CCAM is een lijn van watervrije koolstofhoudende chondrietmineralen, TFL is een landscheidingslijn. d, Δ17O- en δ18O-kaarten van Ryugu-deeltje C0014-4, CI-chondriet (Orgueil) en CY-chondriet (Y-82162) (deze studie). Δ17O_Ryugu: De waarde van Δ17O C0014-1. Δ17O_Orgueil: Gemiddelde Δ17O-waarde voor Orgueil. Δ17O_Y-82162: Gemiddelde Δ17O-waarde voor Y-82162. CI- en CY-gegevens uit de literatuur 41, 48, 49 worden ter vergelijking ook weergegeven.
Massa-isotopenanalyse van zuurstof werd uitgevoerd op een monster van 1,83 mg materiaal, geëxtraheerd uit korrelig C0014 door middel van laserfluorinering (Methoden). Ter vergelijking hebben we zeven kopieën van Orgueil (CI) (totale massa = 8,96 mg) en zeven kopieën van Y-82162 (CY) (totale massa = 5,11 mg) geanalyseerd (Aanvullende tabel 3).
Figuur 2d toont een duidelijke scheiding van Δ17O en δ18O tussen de gewichtsgemiddelde deeltjes van Orgueil en Ryugu in vergelijking met Y-82162. De Δ17O van het Ryugu C0014-4-deeltje is hoger dan die van het Orgueil-deeltje, ondanks de overlap van 2 standaarddeviaties. Ryugu-deeltjes hebben hogere Δ17O-waarden dan Orgueil, wat mogelijk de aardse vervuiling van laatstgenoemde weerspiegelt sinds de val ervan in 1864. Verwering in de aardse omgeving¹¹ leidt noodzakelijkerwijs tot de opname van atmosferische zuurstof, waardoor de algehele analyse dichter bij de aardse fractioneringslijn (TFL) komt. Deze conclusie is consistent met de mineralogische gegevens (eerder besproken) waaruit blijkt dat Ryugu-korrels geen hydraten of sulfaten bevatten, terwijl Orgueil dat wel doet.
Op basis van de bovenstaande mineralogische gegevens ondersteunen deze resultaten een verband tussen Ryugu-korrels en CI-chondrieten, maar sluiten ze een verband met CY-chondrieten uit. Het feit dat Ryugu-korrels niet geassocieerd worden met CY-chondrieten, die duidelijke tekenen van dehydratatiemineralogie vertonen, is raadselachtig. Orbitale waarnemingen van Ryugu lijken erop te wijzen dat het materiaal gedehydrateerd is en daarom waarschijnlijk uit CY-materiaal bestaat. De redenen voor dit ogenschijnlijke verschil blijven onduidelijk. Een zuurstofisotopenanalyse van andere Ryugu-deeltjes wordt gepresenteerd in een begeleidend artikel 12. De resultaten van deze uitgebreide dataset zijn echter ook consistent met het verband tussen Ryugu-deeltjes en CI-chondrieten.
Met behulp van gecoördineerde microanalysetechnieken (aanvullende figuur 3) hebben we de ruimtelijke verdeling van organische koolstof over het gehele oppervlak van de gefocusseerde ionenbundelfractie (FIB) C0068.25 onderzocht (figuren 3a-f). Fijnstructuur röntgenabsorptiespectra van koolstof (NEXAFS) nabij de rand in sectie C0068.25 tonen verschillende functionele groepen – aromatisch of C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH (287,5 eV) en C(=O)O (288,8 eV) – de grafeenstructuur ontbreekt bij 291,7 eV (figuur 3a), wat duidt op een geringe mate van thermische variatie. De sterke CH-piek (287,5 eV) van de gedeeltelijke organische stoffen van C0068.25 verschilt van de onoplosbare organische stoffen van eerder bestudeerde koolstofchondrieten en lijkt meer op IDP14 en komeetdeeltjes verkregen door de Stardust-missie. Een sterke CH-piek bij 287,5 eV en een zeer zwakke aromatische of C=C-piek bij 285,2 eV duiden erop dat de organische verbindingen rijk zijn aan alifatische verbindingen (Fig. 3a en Aanvullende Fig. 3a). Gebieden rijk aan alifatische organische verbindingen bevinden zich in grofkorrelige fylosilicaten, evenals in gebieden met een arme aromatische (of C=C) koolstofstructuur (Fig. 3c,d). Daarentegen vertoonde A0037,22 (Aanvullende Fig. 3) gedeeltelijk een lager gehalte aan alifatische koolstofrijke gebieden. De onderliggende mineralogie van deze korrels is rijk aan carbonaten, vergelijkbaar met chondriet CI 16, wat wijst op een uitgebreide verandering van het bronwater (aanvullende tabel 1). Oxiderende omstandigheden bevorderen hogere concentraties van carbonyl- en carboxylfunctionele groepen in organische verbindingen die geassocieerd zijn met carbonaten. De submicronverdeling van organische stoffen met alifatische koolstofstructuren kan sterk verschillen van de verdeling van grofkorrelige gelaagde silicaten. Aanwijzingen voor alifatische organische verbindingen geassocieerd met fyllosilicaten-OH werden gevonden in de Tagish Lake-meteoriet. Gecoördineerde microanalytische gegevens suggereren dat organisch materiaal rijk aan alifatische verbindingen wijdverspreid kan zijn in C-type asteroïden en nauw geassocieerd kan zijn met fyllosilicaten. Deze conclusie is consistent met eerdere rapporten over alifatische/aromatische CH's in Ryugu-deeltjes, aangetoond met MicroOmega, een nabij-infrarood hyperspectrale microscoop. Een belangrijke en nog onbeantwoorde vraag is of de unieke eigenschappen van alifatische, koolstofrijke organische verbindingen die geassocieerd zijn met grofkorrelige fylosilicaten, zoals waargenomen in deze studie, alleen voorkomen op de asteroïde Ryugu.
a, NEXAFS-koolstofspectra genormaliseerd tot 292 eV in het aromatische (C=C)-rijke gebied (rood), in het alifatische-rijke gebied (groen) en in de matrix (blauw). De grijze lijn is het Murchison 13-spectrum van onoplosbare organische stoffen ter vergelijking. au, arbitratie-eenheid. b, Scanning transmissie röntgenmicroscopie (STXM)-spectraalbeeld van een koolstof K-rand waaruit blijkt dat het gedeelte wordt gedomineerd door koolstof. c, RGB-composietplot met aromatische (C=C)-rijke gebieden (rood), alifatische-rijke gebieden (groen) en matrix (blauw). d, Organische stoffen rijk aan alifatische verbindingen zijn geconcentreerd in grofkorrelig fyllosilicaten; het gebied is vergroot ten opzichte van de witte stippellijnen in b en c. e, Grote nanosferen (ng-1) in het gebied vergroot ten opzichte van de witte stippellijnen in b en c. For: pyrrhotiet. Pn: nikkelchromiet. f, Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry (NanoSIMS), elementaire beelden van waterstof (1H), koolstof (12C) en stikstof (12C14N), beelden van de 12C/1H-elementverhouding en kruislingse δD-, δ13C- en δ15N-isotopenbeelden – Sectie PG-1: presolair grafiet met extreme 13C-verrijking (Aanvullende tabel 4).
Kinetische studies van de afbraak van organisch materiaal in Murchison-meteorieten kunnen belangrijke informatie verschaffen over de heterogene verdeling van alifatisch organisch materiaal dat rijk is aan Ryugu-korrels. Deze studie toont aan dat alifatische CH-bindingen in organisch materiaal blijven bestaan ​​tot een maximale temperatuur van ongeveer 30 °C in het moedergesteente en/of veranderen met de tijd-temperatuurrelatie (bijvoorbeeld 200 jaar bij 100 °C en 0 °C gedurende 100 miljoen jaar). Als de voorloper niet langer dan een bepaalde tijd op een bepaalde temperatuur wordt verhit, kan de oorspronkelijke verdeling van alifatisch organisch materiaal rijk aan fyllosilicaten behouden blijven. Veranderingen in het watergehalte van het brongesteente kunnen deze interpretatie echter bemoeilijken, aangezien het carbonaatrijke A0037 geen koolstofrijke alifatische gebieden vertoont die geassocieerd zijn met fyllosilicaten. Deze verandering bij lage temperatuur komt ruwweg overeen met de aanwezigheid van kubisch veldspaat in Ryugu-korrels (aanvullende tabel 1) 20.
Fractie C0068.25 (ng-1; Fig. 3a–c,e) bevat een grote nanosfeer met een sterk aromatisch (of C=C), matig alifatisch en zwak C(=O)O- en C=O-spectrum. De signatuur van alifatisch koolstof komt niet overeen met de signatuur van onoplosbare organische stoffen en organische nanosferen die geassocieerd worden met chondrieten (Fig. 3a) 17,21. Raman- en infraroodspectroscopische analyse van nanosferen in het Tagishmeer toonde aan dat ze bestaan ​​uit alifatische en geoxideerde organische verbindingen en ongeordende polycyclische aromatische organische verbindingen met een complexe structuur22,23. Omdat de omringende matrix organische stoffen bevat die rijk zijn aan alifatische verbindingen, kan de signatuur van alifatisch koolstof in ng-1 een analytisch artefact zijn. Interessant is dat ng-1 ingebedde amorfe silicaten bevat (Fig. 3e), een textuur die nog niet eerder is gerapporteerd voor buitenaardse organische stoffen. Amorfe silicaten kunnen natuurlijke bestanddelen van ng-1 zijn of het resultaat van amorfisering van waterige/watervrije silicaten door ionen- en/of elektronenbundels tijdens de analyse.
NanoSIMS-ionenbeelden van het C0068.25-gedeelte (Fig. 3f) tonen uniforme veranderingen in δ13C en δ15N, met uitzondering van presolaire korrels met een grote 13C-verrijking van 30.811‰ (PG-1 in het δ13C-beeld in Fig. 3f) (Aanvullende tabel 4). Elementaire röntgenkorrelbeelden en TEM-beelden met hoge resolutie tonen alleen de koolstofconcentratie en de afstand tussen de basale vlakken van 0,3 nm, wat overeenkomt met grafiet. Het is opmerkelijk dat de waarden van δD (841 ± 394‰) en δ15N (169 ± 95‰), verrijkt in alifatisch organisch materiaal geassocieerd met grofkorrelige fylosilicaten, iets hoger blijken te zijn dan het gemiddelde voor het gehele gebied C (δD = 528 ± 139‰). ‰, δ15N = 67 ± 15 ‰) in C0068.25 (Aanvullende tabel 4). Deze waarneming suggereert dat de alifatisch-rijke organische stoffen in grofkorrelige fylosilicaten mogelijk primitiever zijn dan de omringende organische stoffen, aangezien de laatstgenoemde isotopenuitwisseling met het omringende water in het oorspronkelijke lichaam kunnen hebben ondergaan. Alternatief kunnen deze isotopenveranderingen ook verband houden met het initiële vormingsproces. Het wordt geïnterpreteerd dat fijnkorrelige gelaagde silicaten in CI-chondrieten zijn gevormd als gevolg van continue verandering van de oorspronkelijke grofkorrelige watervrije silicaatclusters. Alifatisch-rijke organische materie kan zijn gevormd uit precursormoleculen in de protoplanetaire schijf of het interstellaire medium vóór de vorming van het zonnestelsel, en vervolgens licht zijn veranderd tijdens de waterveranderingen van het Ryugu (grote) moederlichaam. De omvang (<1,0 km) van Ryugu is te klein om voldoende interne warmte te behouden voor waterige alteratie, waardoor gehydrateerde mineralen kunnen ontstaan25. De omvang (<1,0 km) van Ryugu is te klein om voldoende interne warmte te behouden voor waterige alteratie, waardoor gehydrateerde mineralen kunnen ontstaan25. Размер (<1,0 км) een goede oplossing voor het probleem минералов25. Grootte (<1,0 km): Ryugu is te klein om voldoende interne warmte te behouden voor wateromzetting om watermineralen te vormen25. 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。 Meer informatie (<1,0 км) via de минералов25. De omvang van Ryugu (<1,0 km) is te klein om interne warmte te genereren die nodig is om water om te zetten in watermineralen25.Daarom zijn mogelijk Ryugu-voorlopers van tientallen kilometers groot nodig. Organisch materiaal rijk aan alifatische verbindingen kan zijn oorspronkelijke isotopenverhoudingen behouden door associatie met grofkorrelige fylosilicaten. De exacte aard van de isotopische zware dragers blijft echter onzeker vanwege de complexe en delicate menging van de verschillende componenten in deze FIB-fracties. Dit kunnen organische stoffen zijn die rijk zijn aan alifatische verbindingen in Ryugu-korrels of grove fylosilicaten die deze omringen. Merk op dat organisch materiaal in bijna alle koolstofhoudende chondrieten (inclusief CI-chondrieten) doorgaans rijker is aan D dan aan fylosilicaten, met uitzondering van de CM Paris 24 en 26 meteorieten.
Grafieken van volume δD en δ15N van FIB-doorsneden verkregen voor A0002.23 en A0002.26, A0037.22 en A0037.23 en C0068.23, C0068.25 en C0068.26 FIB-doorsneden (in totaal zeven FIB-doorsneden van drie Ryugu-deeltjes). Een vergelijking van NanoSIMS met andere objecten in het zonnestelsel is weergegeven in figuur 4 (aanvullende tabel 4)27,28. Volumeveranderingen in δD en δ15N in de profielen van A0002, A0037 en C0068 komen overeen met die in de IDP, maar zijn hoger dan in de CM- en CI-chondrieten (figuur 4). Merk op dat het bereik van δD-waarden voor het monster van komeet 29 (-240 tot 1655‰) groter is dan dat van Ryugu. De δD- en δ15N-waarden van de Ryukyu-profielen zijn doorgaans kleiner dan het gemiddelde voor kometen van de Jupiterfamilie en de Oortwolk (Fig. 4). De lagere δD-waarden van de CI-chondrieten kunnen wijzen op de invloed van aardse contaminatie in deze monsters. Gezien de overeenkomsten tussen Bells, Lake Tagish en IDP, kan de grote heterogeniteit in δD- en δN-waarden in Ryugu-deeltjes veranderingen in de oorspronkelijke isotopische kenmerken van organische en waterige samenstellingen in het vroege zonnestelsel weerspiegelen. De vergelijkbare isotopische veranderingen in δD en δN in Ryugu- en IDP-deeltjes suggereren dat beide gevormd zouden kunnen zijn uit materiaal van dezelfde bron. Er wordt aangenomen dat IDP's afkomstig zijn van kometen 14. Daarom zou Ryugu komeetachtig materiaal en/of in ieder geval materiaal uit het buitenste zonnestelsel kunnen bevatten. Dit is echter mogelijk lastiger dan we hier stellen, vanwege (1) het mengsel van sferulitisch en D-rijk water op het moederlichaam 31 en (2) de D/H-verhouding van de komeet als functie van de kometenactiviteit 32. De redenen voor de waargenomen heterogeniteit van waterstof- en stikstofisotopen in Ryugu-deeltjes zijn echter nog niet volledig duidelijk, deels vanwege het beperkte aantal analyses dat momenteel beschikbaar is. De resultaten van waterstof- en stikstofisotopensystemen doen nog steeds vermoeden dat Ryugu het grootste deel van het materiaal van buiten het zonnestelsel bevat en dus enige gelijkenis met kometen kan vertonen. Het Ryugu-profiel vertoonde geen duidelijke correlatie tussen δ13C en δ15N (aanvullende tabel 4).
De algehele H- en N-isotopensamenstelling van Ryugu-deeltjes (rode cirkels: A0002, A0037; blauwe cirkels: C0068) correleert met zonnemagnitude 27, de Jupiter-gemiddelde familie (JFC27), Oortwolk-kometen (OCC27), IDP28 en koolstofhoudende chondrulen. Vergelijking van meteoriet 27 (CI, CM, CR, C2-ung). De isotopensamenstelling is weergegeven in aanvullende tabel 4. De stippellijnen geven de aardse isotopenwaarden voor H en N weer.
Het transport van vluchtige stoffen (bijvoorbeeld organisch materiaal en water) naar de aarde blijft een punt van zorg26,27,33. Submicron organisch materiaal, geassocieerd met grove fyllosilicaten in Ryugu-deeltjes die in deze studie zijn geïdentificeerd, kan een belangrijke bron van vluchtige stoffen zijn. Organisch materiaal in grofkorrelige fyllosilicaten is beter beschermd tegen afbraak16,34 en verval35 dan organisch materiaal in fijnkorrelige matrices. De zwaardere isotopische samenstelling van waterstof in de deeltjes betekent dat ze waarschijnlijk niet de enige bron van vluchtige stoffen zijn die naar de vroege aarde zijn getransporteerd. Ze kunnen gemengd zijn met componenten met een lichtere waterstofisotopische samenstelling, zoals recentelijk werd voorgesteld in de hypothese van de aanwezigheid van door de zonnewind aangedreven water in silicaten.
In deze studie tonen we aan dat CI-meteorieten, ondanks hun geochemische belang als representanten van de algehele samenstelling van het zonnestelsel,6,10 aardse, verontreinigde monsters zijn. We leveren ook direct bewijs voor interacties tussen rijk alifatisch organisch materiaal en naburige waterhoudende mineralen en suggereren dat Ryugu mogelijk buitenaards materiaal bevat37. De resultaten van deze studie tonen duidelijk het belang aan van directe bemonstering van protoasteroïden en de noodzaak om teruggebrachte monsters onder volledig inerte en steriele omstandigheden te vervoeren. Het hier gepresenteerde bewijs toont aan dat Ryugu-deeltjes ongetwijfeld een van de meest onverontreinigde materialen uit het zonnestelsel zijn die beschikbaar zijn voor laboratoriumonderzoek, en verder onderzoek van deze kostbare monsters zal ongetwijfeld ons begrip van processen in het vroege zonnestelsel vergroten. Ryugu-deeltjes zijn de beste representatie van de algehele samenstelling van het zonnestelsel.
Om de complexe microstructuur en chemische eigenschappen van monsters op submicronniveau te bepalen, hebben we gebruikgemaakt van synchrotronstraling-gebaseerde computertomografie (SR-XCT) en SR-röntgendiffractie (XRD)-CT, FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM-analyse. Er was geen sprake van degradatie, vervuiling door de atmosfeer en schade door fijnstof of mechanische monsters. Tegelijkertijd hebben we systematische volumetrische analyses uitgevoerd met behulp van scanningelektronenmicroscopie (SEM)-EDS, EPMA, XRD, instrumentele neutronenactiveringsanalyse (INAA) en laser-zuurstofisotoopfluorinatieapparatuur. De analyseprocedures worden weergegeven in Aanvullende Figuur 3 en elke analyse wordt in de volgende paragrafen beschreven.
Deeltjes van de asteroïde Ryugu werden teruggewonnen uit de Hayabusa-2 terugkeermodule en afgeleverd bij het JAXA Control Center in Sagamihara, Japan, zonder de atmosfeer van de aarde te vervuilen4. Na een eerste en niet-destructieve karakterisering in een door JAXA beheerde faciliteit, worden hersluitbare transportcontainers en monstercapsulezakken (saffierkristal en roestvrij staal met een diameter van 10 of 15 mm, afhankelijk van de monstergrootte) gebruikt om milieuverontreinigingen en/of bodemverontreinigingen (bijv. waterdamp, koolwaterstoffen, atmosferische gassen en fijnstof) en kruisbesmetting tussen monsters tijdens de monstervoorbereiding en het transport tussen instituten en universiteiten te voorkomen38. Om degradatie en vervuiling door interactie met de aardatmosfeer (waterdamp en zuurstof) te voorkomen, werden alle soorten monsterpreparatie (inclusief het afbeitelen met een tantaalbeitel, het gebruik van een gebalanceerde diamantdraadzaag (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) en het snijden van epoxy) uitgevoerd in een handschoenkast onder schone, droge stikstof (dauwpunt: -80 tot -60 °C, O2 ~50-100 ppm). Alle hier gebruikte materialen werden gereinigd met een combinatie van ultrapuur water en ethanol met behulp van ultrasone golven van verschillende frequenties.
Hier bestuderen we de meteorietencollectie van het National Polar Research Institute (NIPR) van het Antarctic Meteorite Research Center (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 en CY: Y 980115).
Voor de overdracht tussen instrumenten voor SR-XCT, NanoSIMS, STXM-NEXAFS en TEM-analyse gebruikten we de universele ultradunne monsterhouder die in eerdere studies is beschreven38.
SR-XCT-analyse van Ryugu-monsters werd uitgevoerd met behulp van het geïntegreerde CT-systeem BL20XU/SPring-8. Dit systeem beschikt over verschillende meetmodi: een breed gezichtsveld en lage resolutie (WL)-modus om de gehele structuur van het monster vast te leggen, een smal gezichtsveld en hoge resolutie (NH)-modus voor nauwkeurige metingen van het betreffende monstergebied. Daarnaast worden röntgenfoto's gemaakt om een ​​diffractiepatroon van het monstervolume te verkrijgen, en wordt XRD-CT uitgevoerd om een ​​2D-diagram van de horizontale minerale fasen in het monster te verkrijgen. Alle metingen kunnen worden uitgevoerd zonder de ingebouwde monsterhouder van de basis te verwijderen, waardoor nauwkeurige CT- en XRD-CT-metingen mogelijk zijn. De WL-modus röntgendetector (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) was uitgerust met een extra CMOS-camera (metaaloxide-halfgeleider) van 4608 × 4608 pixels (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) met een scintillator bestaande uit een 10 µm dik lutetium-aluminiumgranaat-eenkristal (Lu3Al5O12:Ce) en een relaislens. De pixelgrootte in de WL-modus is ongeveer 0,848 µm. Het gezichtsveld (FOV) in de WL-modus is dus ongeveer 6 mm in de offset CT-modus. De NH-modus röntgendetector (BM AA50; Hamamatsu Photonics) was uitgerust met een 20 µm dikke gadolinium-aluminium-galliumgranaat (Gd3Al2Ga3O12) scintillator, een CMOS-camera (C11440-22CU) met een resolutie van 2048 × 2048 pixels (Hamamatsu Photonics) en een 20x lens. De pixelgrootte in de NH-modus is ~0,25 µm en het gezichtsveld is ~0,5 mm. De detector voor de XRD-modus (BM AA60; Hamamatsu Photonics) was uitgerust met een scintillator bestaande uit een 50 µm dik P43 (Gd2O2S:Tb) poederscherm, een CMOS-camera met een resolutie van 2304 × 2304 pixels (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) en een relaislens. De detector heeft een effectieve pixelgrootte van 19,05 µm en een gezichtsveld van 43,9 mm². Om het gezichtsveld te vergroten, hebben we een offset CT-procedure in WL-modus toegepast. Het doorgelaten lichtbeeld voor CT-reconstructie bestaat uit een beeld in het bereik van 180° tot 360° dat horizontaal rond de rotatieas is gereflecteerd, en een beeld in het bereik van 0° tot 180°.
In de XRD-modus wordt de röntgenbundel gefocusseerd door een Fresnel-zoneplaat. In deze modus is de detector 110 mm achter het monster geplaatst en de bundelstopper 3 mm voor de detector. Diffractiebeelden in het 2θ-bereik van 1,43° tot 18,00° (roosterstap d = 16,6–1,32 Å) werden verkregen met de röntgenbundel gefocusseerd aan de onderkant van het gezichtsveld van de detector. Het monster beweegt verticaal met regelmatige tussenpozen, met een halve draai voor elke verticale scanstap. Als de mineraaldeeltjes voldoen aan de Bragg-voorwaarde bij een rotatie van 180°, is het mogelijk om diffractie van de mineraaldeeltjes in het horizontale vlak te verkrijgen. De diffractiebeelden werden vervolgens gecombineerd tot één beeld voor elke verticale scanstap. De omstandigheden voor de SR-XRD-CT-analyse zijn vrijwel hetzelfde als die voor de SR-XRD-analyse. In de XRD-CT-modus is de detector 69 mm achter het monster geplaatst. Diffractiebeelden in het 2θ-bereik lopen van 1,2° tot 17,68° (d = 19,73 tot 1,35 Å), waarbij zowel de röntgenbundel als de bundelbegrenzer in lijn liggen met het midden van het gezichtsveld van de detector. Scan het monster horizontaal en roteer het 180°. De SR-XRD-CT-beelden werden gereconstrueerd met de piekintensiteiten van de mineralen als pixelwaarden. Bij horizontaal scannen wordt het monster doorgaans in 500-1000 stappen gescand.
Voor alle experimenten werd de röntgenenergie vastgesteld op 30 keV, aangezien dit de ondergrens is voor röntgenpenetratie in meteorieten met een diameter van ongeveer 6 mm. Het aantal beelden dat werd verkregen voor alle CT-metingen tijdens een rotatie van 180° was 1800 (3600 voor het offset CT-programma), en de belichtingstijd voor de beelden was 100 ms voor de WL-modus, 300 ms voor de NH-modus, 500 ms voor XRD en 50 ms voor XRD-CT. De typische scantijd van een monster bedraagt ​​ongeveer 10 minuten in de WL-modus, 15 minuten in de NH-modus, 3 uur voor XRD en 8 uur voor SR-XRD-CT.
CT-beelden werden gereconstrueerd door middel van convolutionele backprojectie en genormaliseerd voor een lineaire verzwakkingscoëfficiënt van 0 tot 80 cm⁻¹. De Slice-software werd gebruikt om de 3D-gegevens te analyseren en de muXRD-software werd gebruikt om de XRD-gegevens te analyseren.
Epoxy-gefixeerde Ryugu-deeltjes (A0029, A0037, C0009, C0014 en C0068) werden onder droge omstandigheden geleidelijk gepolijst tot een dikte van 0,5 µm (3M) diamantslijplaag, waarbij contact van het materiaal met het oppervlak tijdens het polijstproces werd vermeden. Het gepolijste oppervlak van elk monster werd eerst onderzocht met een lichtmicroscoop en vervolgens met terugverstrooide elektronen om mineralogische en textuurbeelden (BSE) van de monsters te verkrijgen, evenals kwalitatieve NIPR-elementen met behulp van een JEOL JSM-7100F SEM uitgerust met een energie-dispersiespectrometer (AZtec). Voor elk monster werd het gehalte aan hoofd- en sporenelementen geanalyseerd met behulp van een elektronenmicrosonde-microanalysator (EPMA, JEOL JXA-8200). Analyseer fyllosilicaten en carbonaatdeeltjes bij 5 nA, natuurlijke en synthetische standaarden bij 15 keV, sulfiden, magnetiet, olivijn en pyroxeen bij 30 nA. Modale waarden werden berekend aan de hand van elementkaarten en BSE-afbeeldingen met behulp van ImageJ 1.53-software, waarbij voor elk mineraal willekeurig geschikte drempelwaarden werden ingesteld.
Zuurstofisotoopanalyse werd uitgevoerd aan de Open University (Milton Keynes, VK) met behulp van een infraroodlaserfluorinatiesysteem. Hayabusa2-monsters werden in met stikstof gevulde containers naar de Open University 38 vervoerd voor transport tussen de faciliteiten.
Het laden van de monsters vond plaats in een stikstofhandschoenkast met een gecontroleerd zuurstofgehalte van minder dan 0,1%. Voor de analytische werkzaamheden met Hayabusa2 werd een nieuwe nikkelen monsterhouder vervaardigd, bestaande uit slechts twee monsteropeningen (diameter 2,5 mm, diepte 5 mm), één voor Hayabusa2-deeltjes en de andere voor de obsidiaan-interne standaard. Tijdens de analyse werd de monsterput met het Hayabusa2-materiaal afgedekt met een intern BaF2-venster van circa 1 mm dik en 3 mm in diameter om het monster tijdens de laserreactie op zijn plaats te houden. De BrF5-toevoer naar het monster werd gehandhaafd door een gasmengkanaal dat in de nikkelen monsterhouder was aangebracht. De monsterkamer werd ook aangepast zodat deze uit de vacuümfluorineringslijn kon worden verwijderd en vervolgens in een met stikstof gevulde handschoenkast kon worden geopend. De tweedelige kamer werd afgesloten met een koperen pakking en een EVAC Quick Release CeFIX 38 kettingklem. Een 3 mm dik BaF2-venster aan de bovenkant van de kamer maakt gelijktijdige observatie van het monster en de laserverwarming mogelijk. Na het laden van het monster, klemt u de kamer weer vast en sluit u deze opnieuw aan op de gefluoreerde leiding. Voor de analyse werd de monsterkamer 's nachts onder vacuüm verwarmd tot ongeveer 95 °C om eventueel geadsorbeerd vocht te verwijderen. Na deze nachtelijke verwarming werd de kamer afgekoeld tot kamertemperatuur. Vervolgens werd het gedeelte dat tijdens het transport van het monster aan de atmosfeer was blootgesteld, gespoeld met drie porties BrF5 om vocht te verwijderen. Deze procedures zorgen ervoor dat het Hayabusa 2-monster niet aan de atmosfeer wordt blootgesteld en niet wordt verontreinigd door vocht uit het gedeelte van de gefluoreerde leiding dat tijdens het laden van het monster aan de atmosfeer is blootgesteld.
Ryugu C0014-4 en Orgueil (CI) deeltjesmonsters werden geanalyseerd in een gemodificeerde “enkele” modus42, terwijl de analyse van Y-82162 (CY) werd uitgevoerd op een enkele tray met meerdere monsterputjes41. Vanwege hun watervrije samenstelling is het niet nodig om een ​​enkele methode te gebruiken voor CY-chondrieten. De monsters werden verhit met een infrarood CO2-laser van Photon Machines Inc. met een vermogen van 50 W (10,6 µm), gemonteerd op de XYZ-gantry, in aanwezigheid van BrF5. Het ingebouwde videosysteem bewaakt het verloop van de reactie. Na fluorering werd de vrijgekomen O2 gezuiverd met behulp van twee cryogene stikstofvallen en een verwarmd KBr-bed om overtollig fluor te verwijderen. De isotopische samenstelling van gezuiverde zuurstof werd geanalyseerd op een Thermo Fisher MAT 253 tweekanaals massaspectrometer met een massaresolutie van ongeveer 200.
In sommige gevallen was de hoeveelheid gasvormig O2 die vrijkwam tijdens de reactie van het monster minder dan 140 µg, wat ongeveer de limiet is voor het gebruik van de balginrichting op de MAT 253 massaspectrometer. In deze gevallen moeten microvolumes voor de analyse worden gebruikt. Na analyse van de Hayabusa2-deeltjes werd de obsidiaan-interne standaard gefluorideerd en de zuurstofisotoopsamenstelling ervan bepaald.
Ionen van het NF+ NF3+ fragment interfereren met de bundel met massa 33 (16O17O). Om dit potentiële probleem te elimineren, worden de meeste monsters verwerkt met behulp van cryogene scheidingsprocedures. Dit kan in de voorwaartse richting vóór de MAT 253-analyse worden gedaan, of als een tweede analyse door het geanalyseerde gas terug te leiden naar de speciale moleculaire zeef en het na de cryogene scheiding opnieuw door de bundel te leiden. Cryogene scheiding houdt in dat gas wordt toegevoerd aan een moleculaire zeef bij de temperatuur van vloeibare stikstof en vervolgens wordt afgevoerd naar een primaire moleculaire zeef bij een temperatuur van -130 °C. Uit uitgebreide tests is gebleken dat NF+ op de eerste moleculaire zeef achterblijft en dat er met deze methode geen significante fractionering optreedt.
Op basis van herhaalde analyses van onze interne obsidiaanstandaarden is de algehele nauwkeurigheid van het systeem in balgmodus: ±0,053‰ voor δ17O, ±0,095‰ voor δ18O, ±0,018‰ voor Δ17O (2 sd). Zuurstofisotopenanalyse wordt weergegeven in de standaard delta-notatie, waarbij delta18O als volgt wordt berekend:
Gebruik ook de 17O/16O-verhouding voor δ17O. VSMOW is de internationale standaard voor de Vienna Mean Sea Water Standard. Δ17O vertegenwoordigt de afwijking van de aardfractioneringslijn, en de berekeningsformule is: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Alle gegevens in aanvullende tabel 3 zijn gecorrigeerd voor ontbrekende waarden.
Secties met een dikte van ongeveer 150 tot 200 nm werden uit Ryugu-deeltjes geëxtraheerd met behulp van een Hitachi High Tech SMI4050 FIB-instrument bij JAMSTEC, Kochi Core Sampling Institute. Alle FIB-secties werden verkregen uit onbewerkte fragmenten van onbewerkte deeltjes nadat deze uit met N2-gas gevulde vaten waren verwijderd voor interobjecttransport. Deze fragmenten werden niet gemeten met SR-CT, maar werden verwerkt met minimale blootstelling aan de aardatmosfeer om mogelijke schade en contaminatie te voorkomen die het koolstof K-randspectrum zouden kunnen beïnvloeden. Na het aanbrengen van een beschermende wolfraamlaag werd het interessegebied (tot 25 × 25 μm²) uitgesneden en verdund met een Ga+-ionenbundel bij een versnellingsspanning van 30 kV, vervolgens bij 5 kV en een probestroom van 40 pA om oppervlakteschade te minimaliseren. De ultradunne secties werden vervolgens op een vergroot kopergaas (Kochi-gaas) 39 geplaatst met behulp van een micromanipulator uitgerust met FIB.
De korrels Ryugu A0098 (1,6303 mg) en C0068 (0,6483 mg) werden tweemaal luchtdicht verpakt in zuivere, zeer zuivere polyethyleenfolie in een met zuivere stikstof gevulde handschoenkast op de SPring-8, zonder enige interactie met de aardatmosfeer. De preparatie van het monster JB-1 (een geologisch referentiegesteente uitgegeven door de Geologische Dienst van Japan) werd uitgevoerd aan de Tokyo Metropolitan University.
INAA wordt gehouden aan het Instituut voor Geïntegreerde Stralings- en Kernwetenschappen van de Universiteit van Kyoto. De monsters werden tweemaal bestraald met verschillende bestralingscycli, gekozen op basis van de halfwaardetijd van het nuclide dat werd gebruikt voor elementkwantificering. Eerst werd het monster 30 seconden bestraald in een pneumatische bestralingsbuis. De fluxen van thermische en snelle neutronen in figuur 3 zijn respectievelijk 4,6 × 10¹² en 9,6 × 10¹¹ cm⁻² s⁻¹, voor het bepalen van de concentraties van Mg, Al, Ca, Ti, V en Mn. Chemicaliën zoals MgO (99,99% zuiverheid, Soekawa Chemical), Al (99,9% zuiverheid, Soekawa Chemical) en Si-metaal (99,999% zuiverheid, FUJIFILM Wako Pure Chemical) werden ook bestraald om te corrigeren voor storende kernreacties zoals (n, n). Het monster werd tevens bestraald met natriumchloride (99,99% zuiverheid; MANAC) om te corrigeren voor veranderingen in de neutronenflux.
Na neutronenbestraling werd de buitenste polyethyleenfolie vervangen door een nieuwe, en de door het monster en de referentie uitgezonden gammastraling werd onmiddellijk gemeten met een germaniumdetector. Dezelfde monsters werden gedurende 4 uur opnieuw bestraald in een pneumatische bestralingsbuis. 2 heeft thermische en snelle neutronenfluxen van respectievelijk 5,6 × 10¹² en 1,2 × 10¹² cm⁻² s⁻¹ voor de bepaling van Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Sb, Os, Ir en Au. Controlemonsters van Ga, As, Se, Sb, Os, Ir en Au werden bestraald door geschikte hoeveelheden (van 10 tot 50 μg) van standaardoplossingen met bekende concentraties van deze elementen aan te brengen op twee stukjes filtreerpapier, gevolgd door bestraling van de monsters. De gammastralingmetingen werden uitgevoerd aan het Institute of Integrated Radiation and Nuclear Sciences van de Universiteit van Kyoto en het RI Research Center van de Tokyo Metropolitan University. De analytische procedures en referentiematerialen voor de kwantitatieve bepaling van INAA-elementen zijn dezelfde als die beschreven in ons eerdere werk.
Met behulp van een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab) werden de diffractiepatronen van Ryugu-monsters A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) en C0087 (<1 mg) verzameld bij NIPR. Met behulp van een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab) werden de diffractiepatronen van Ryugu-monsters A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) en C0087 (<1 mg) verzameld bij NIPR. Rigaku SmartLab-apparaat voor het gebruik van Ryugu-producten A0029 (<1 мг), A0037 (≪1 мг) en C0087 (<1 мг) in NIPR. Met behulp van een röntgendiffractometer (Rigaku SmartLab) werden diffractiepatronen verzameld van Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) en C0087 (<1 mg) monsters in 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。 Дифрактограммы образцов Ryugu A0029 (<1 мг), A0037 (<1 мг) en C0087 (<1 мг) были получены in NIPR с использованием рентгеновского дифрактометра (Rigaku SmartLab). Röntgen diffractiepatronen van de monsters Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) en C0087 (<1 mg) werden verkregen bij NIPR met behulp van een röntgen diffractometer (Rigaku SmartLab).Alle monsters werden fijngemalen tot een poeder op een niet-reflecterende silicium wafer met behulp van een saffierglazen plaat en vervolgens gelijkmatig over de wafer verspreid zonder toevoeging van vloeistof (water of alcohol). De meetomstandigheden waren als volgt: Cu Kα röntgenstraling werd gegenereerd bij een buisspanning van 40 kV en een buisstroom van 40 mA, de spleetlengte bedroeg 10 mm, de divergentiehoek was (1/6)°, de rotatiesnelheid in het vlak was 20 rpm en het bereik van 2θ (dubbele Bragg-hoek) was 3-100°. De analyse duurde ongeveer 28 uur. Er werd gebruik gemaakt van Bragg-Brentano-optiek. De detector was een eendimensionale silicium halfgeleiderdetector (D/teX Ultra 250). Röntgenstraling van Cu Kβ werd verwijderd met behulp van een Ni-filter. Met behulp van beschikbare monsters werden metingen van synthetisch magnesiumsaponiet (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd), serpentijn (bladserpentijn, Miyazu, Nikka) en pyrrhotiet (monoklinisch 4C, Chihua, Mexico Watts) vergeleken om pieken te identificeren. Diffractiegegevens van poederdiffractie van het International Center for Diffraction Data, dolomiet (PDF 01-071-1662) en magnetiet (PDF 00-019-0629) werden gebruikt. Diffractiegegevens van Ryugu werden ook vergeleken met gegevens van hydroveranderde koolstofchondrieten, Orgueil CI, Y-791198 CM2.4 en Y 980115 CY (verwarmingsfase III, 500–750 °C). De vergelijking toonde overeenkomsten met Orgueil, maar niet met Y-791198 en Y 980115.
NEXAFS-spectra met koolstofrand K van ultradunne secties van monsters gemaakt met FIB werden gemeten met behulp van het STXM BL4U-kanaal in de UVSOR-synchrotronfaciliteit van het Institute of Molecular Sciences (Okazaki, Japan). De spotgrootte van een optisch gefocusseerde bundel met een Fresnel-zoneplaat is ongeveer 50 nm. De energiestap is 0,1 eV voor de fijne structuur van het nabije randgebied (283,6–292,0 eV) en 0,5 eV (280,0–283,5 eV en 292,5–300,0 eV) voor de voor- en achterrandgebieden. De tijd voor elke beeldpixel werd ingesteld op 2 ms. Na evacuatie werd de STXM-analysekamer gevuld met helium onder een druk van ongeveer 20 mbar. Dit minimaliseert thermische drift van de röntgenoptische apparatuur in de kamer en monsterhouder, en vermindert tevens schade aan en/of oxidatie van het monster. NEXAFS K-rand koolstofspectra werden gegenereerd uit gestapelde data met behulp van aXis2000-software en eigen STXM-dataverwerkingssoftware. Merk op dat de monstertransportkoffer en handschoenkast werden gebruikt om oxidatie en contaminatie van het monster te voorkomen.
Na de STXM-NEXAFS-analyse werd de isotopische samenstelling van waterstof, koolstof en stikstof van Ryugu FIB-plakjes geanalyseerd met behulp van isotopenbeeldvorming met een JAMSTEC NanoSIMS 50L. Een gefocusseerde Cs+-primaire bundel van ongeveer 2 pA voor koolstof- en stikstofisotoopanalyse en ongeveer 13 pA voor waterstofisotoopanalyse werd gerasterd over een gebied van ongeveer 24 × 24 µm² tot 30 × 30 µm² op het monster. Na een voorbehandeling van 3 minuten met een relatief sterke primaire bundelstroom werd elke analyse gestart nadat de intensiteit van de secundaire bundel gestabiliseerd was. Voor de analyse van koolstof- en stikstofisotopen werden beelden van 12C–, 13C–, 16O–, 12C14N– en 12C15N– gelijktijdig verkregen met behulp van zeven-elektronenmultiplicator-multiplexdetectie met een massaresolutie van ongeveer 9000, wat voldoende is om alle relevante isotopische verbindingen te scheiden. interferentie (d.w.z. 12C1H op 13C en 13C14N op 12C15N). Voor de analyse van waterstofisotopen werden 1H-, 2D- en 12C-beelden verkregen met een massaresolutie van ongeveer 3000 met meervoudige detectie met behulp van drie elektronenvermenigvuldigers. Elke analyse bestaat uit 30 gescande beelden van hetzelfde gebied, waarbij één beeld bestaat uit 256 × 256 pixels voor koolstof- en stikstofisotoopanalyse en 128 × 128 pixels voor waterstofisotoopanalyse. De vertragingstijd is 3000 µs per pixel voor koolstof- en stikstofisotoopanalyse en 5000 µs per pixel voor waterstofisotoopanalyse. We hebben 1-hydroxybenzotriazoolhydraat gebruikt als waterstof-, koolstof- en stikstofisotoopstandaarden om de instrumentele massafractionering te kalibreren45.
Om de isotopische samenstelling van silicium in presolair grafiet in het FIB C0068-25-profiel te bepalen, gebruikten we zes elektronenvermenigvuldigers met een massaresolutie van ongeveer 9000. De beelden bestaan ​​uit 256 × 256 pixels met een vertragingstijd van 3000 µs per pixel. We kalibreerden een massafractioneringsinstrument met behulp van siliciumwafers als standaarden voor waterstof-, koolstof- en siliciumisotopen.
Isotopenbeelden werden verwerkt met behulp van NASA's NanoSIMS45-beeldverwerkingssoftware. De gegevens werden gecorrigeerd voor de dode tijd van de elektronenvermenigvuldiger (44 ns) en quasi-gelijktijdige aankomsteffecten. Voor elk beeld werd een andere scanuitlijning gebruikt om beeldverschuiving tijdens de acquisitie te corrigeren. Het uiteindelijke isotopenbeeld wordt gecreëerd door secundaire ionen uit elk beeld voor elke scanpixel bij elkaar op te tellen.
Na de STXM-NEXAFS- en NanoSIMS-analyse werden dezelfde FIB-secties onderzocht met een transmissie-elektronenmicroscoop (JEOL JEM-ARM200F) bij een versnellingsspanning van 200 kV in Kochi, JAMSTEC. De microstructuur werd geobserveerd met behulp van een helderveld-TEM en een hooghoekige scanning-TEM in een donkerveld. Minerale fasen werden geïdentificeerd door middel van puntelektrondiffractie en roosterbandbeeldvorming, en chemische analyse werd uitgevoerd met EDS met een siliciumdriftdetector van 100 mm² en JEOL Analysis Station 4.30-software. Voor kwantitatieve analyse werd de karakteristieke röntgenintensiteit voor elk element gemeten in de TEM-scanmodus met een vaste data-acquisitietijd van 30 s, een bundelscangebied van ~100 × 100 nm² en een bundelstroom van 50 pA. De verhouding (Si + Al)-Mg-Fe in gelaagde silicaten werd bepaald met behulp van de experimentele coëfficiënt k, gecorrigeerd voor dikte, verkregen uit een standaard van natuurlijk pyropagarniet.
Alle afbeeldingen en analyses die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn beschikbaar op het JAXA Data Archiving and Communication System (DARTS) https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2. Dit artikel bevat de originele gegevens.
Kitari, K. et al. Oppervlaktesamenstelling van asteroïde 162173 Ryugu zoals waargenomen door het Hayabusa2 NIRS3-instrument. Science 364, 272–275.
Kim, AJ. Koolstofhoudende chondrieten van het Yamato-type (CY): analogieën van het oppervlak van de asteroïde Ryugu? Geochemistry 79, 125531 (2019).
Pilorjet, S. et al. De eerste samenstellingsanalyse van Ryugu-monsters werd uitgevoerd met behulp van een MicroOmega hyperspectrale microscoop. National Astron. 6, 221–225 (2021).
Yada, T. et al. Voorlopige analyse van het Hyabusa2-monster teruggebracht van de C-type asteroïde Ryugu. National Astron. 6, 214–220 (2021).