Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Các tiểu hành tinh loại C, dễ bay hơi và giàu chất hữu cơ, có thể là một trong những nguồn nước chính trên Trái đất. Hiện nay, các thiên thạch chondrite chứa carbon cho ta thông tin tốt nhất về thành phần hóa học của chúng, nhưng thông tin về thiên thạch lại bị sai lệch: chỉ những loại bền nhất mới sống sót sau khi đi vào khí quyển và tương tác với môi trường Trái đất. Ở đây, chúng tôi trình bày kết quả của một nghiên cứu thể tích và vi phân tích chi tiết về hạt Ryugu sơ cấp được tàu vũ trụ Hayabusa-2 đưa về Trái đất. Các hạt Ryugu cho thấy sự phù hợp chặt chẽ về thành phần với các thiên thạch chondrite CI (loại Iwuna) không bị phân tách hóa học nhưng bị biến đổi bởi nước, được sử dụng rộng rãi như một chỉ báo về thành phần tổng thể của hệ mặt trời. Mẫu vật này cho thấy mối quan hệ không gian phức tạp giữa các chất hữu cơ béo giàu và silicat lớp, đồng thời chỉ ra nhiệt độ tối đa khoảng 30 °C trong quá trình xói mòn do nước. Chúng tôi tìm thấy sự phong phú của deuterium và diazonium phù hợp với nguồn gốc ngoài hệ mặt trời. Các hạt Ryugu là vật liệu ngoài hành tinh không bị ô nhiễm và không thể tách rời nhất từng được nghiên cứu và phù hợp nhất với thành phần tổng thể của hệ mặt trời.
Từ tháng 6 năm 2018 đến tháng 11 năm 2019, tàu vũ trụ Hayabusa2 của Cơ quan Thám hiểm Không gian Nhật Bản (JAXA) đã tiến hành khảo sát từ xa quy mô lớn tiểu hành tinh Ryugu. Dữ liệu từ Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRS3) trên Hayabusa-2 cho thấy Ryugu có thể được cấu tạo từ vật liệu tương tự như các thiên thạch cacbonat biến chất nhiệt và/hoặc biến chất do va chạm. Mẫu gần giống nhất là thiên thạch CY (loại Yamato) 2. Độ phản xạ thấp của Ryugu có thể được giải thích bởi sự hiện diện của một lượng lớn các thành phần giàu cacbon, cũng như kích thước hạt, độ xốp và các hiệu ứng phong hóa không gian. Tàu vũ trụ Hayabusa-2 đã thực hiện hai lần hạ cánh và thu thập mẫu trên Ryugu. Trong lần hạ cánh đầu tiên vào ngày 21 tháng 2 năm 2019, vật liệu bề mặt đã được thu thập và lưu trữ trong khoang A của khoang chứa mẫu trở về, và trong lần hạ cánh thứ hai vào ngày 11 tháng 7 năm 2019, vật liệu đã được thu thập gần một miệng hố nhân tạo được tạo ra bởi một thiết bị va chạm di động nhỏ. Các mẫu này được lưu trữ trong Khu C. Việc phân tích ban đầu không phá hủy các hạt ở Giai đoạn 1 trong các buồng đặc biệt, không bị ô nhiễm và chứa đầy nitơ tinh khiết tại các cơ sở do JAXA quản lý cho thấy các hạt Ryugu giống nhất với thiên thạch CI4 và thể hiện “các mức độ biến đổi khác nhau”3. Việc phân loại Ryugu có vẻ mâu thuẫn, tương tự như thiên thạch CY hoặc CI, chỉ có thể được giải quyết bằng cách phân tích chi tiết về đồng vị, nguyên tố và khoáng vật học của các hạt Ryugu. Các kết quả trình bày ở đây cung cấp cơ sở vững chắc để xác định lời giải thích sơ bộ nào trong hai lời giải thích này về thành phần tổng thể của tiểu hành tinh Ryugu là có khả năng nhất.
Tám mẫu vật Ryugu (tổng cộng khoảng 60mg), bốn mẫu từ Buồng A và bốn mẫu từ Buồng C, được giao cho Giai đoạn 2 để nhóm Kochi quản lý. Mục tiêu chính của nghiên cứu là làm sáng tỏ bản chất, nguồn gốc và lịch sử tiến hóa của tiểu hành tinh Ryugu, và ghi lại những điểm tương đồng và khác biệt với các mẫu vật ngoài Trái đất đã biết khác như chondrite, các hạt bụi liên hành tinh (IDP) và sao chổi quay trở lại. Các mẫu vật được thu thập bởi sứ mệnh Stardust của NASA.
Phân tích khoáng vật học chi tiết của năm hạt Ryugu (A0029, A0037, C0009, C0014 và C0068) cho thấy chúng chủ yếu bao gồm các khoáng vật phyllosilicat hạt mịn và hạt thô (~64–88% thể tích; Hình 1a, b, Hình bổ sung 1 và bảng bổ sung 1). Các khoáng vật phyllosilicat hạt thô xuất hiện dưới dạng các cụm hình lông chim (kích thước lên đến hàng chục micromet) trong ma trận hạt mịn, giàu phyllosilicat (kích thước nhỏ hơn vài micromet). Các hạt silicat lớp là các sinh vật cộng sinh serpentin-saponit (Hình 1c). Bản đồ (Si + Al)-Mg-Fe cũng cho thấy ma trận silicat lớp tổng thể có thành phần trung gian giữa serpentin và saponit (Hình 2a, b). Ma trận phyllosilicat chứa các khoáng chất cacbonat (~2–21% thể tích), khoáng chất sunfua (~2,4–5,5% thể tích) và magnetit (~3,6–6,8% thể tích). Một trong những hạt được kiểm tra trong nghiên cứu này (C0009) chứa một lượng nhỏ (~0,5% thể tích) silicat khan (olivin và pyroxen), có thể giúp xác định nguồn gốc vật liệu tạo nên đá Ryugu thô5. Silicat khan này hiếm gặp trong các viên đá Ryugu và chỉ được xác định chắc chắn trong viên đá C0009. Cacbonat có mặt trong ma trận dưới dạng các mảnh vụn (nhỏ hơn vài trăm micromet), chủ yếu là dolomit, với một lượng nhỏ canxi cacbonat và brinell. Magnetit xuất hiện dưới dạng các hạt riêng lẻ, cụm hình cầu, mảng hoặc các khối hình cầu. Sunfua chủ yếu được biểu thị bằng pyrrhotit dưới dạng lăng trụ/tấm lục giác không đều hoặc dạng thanh. Ma trận này chứa một lượng lớn pentlandit kích thước dưới micromet hoặc kết hợp với pyrrhotit. Các pha giàu cacbon (<10 µm kích thước) xuất hiện phổ biến trong ma trận giàu phyllosilicat. Các pha giàu cacbon (<10 µm kích thước) xuất hiện phổ biến trong ma trận giàu phyllosilicat. Bạn có thể nhận được một khoản tiền nhỏ (khoảng 10 phút) để bạn có thể sử dụng nó. Các pha giàu cacbon (<10 µm kích thước) xuất hiện phổ biến trong ma trận giàu phyllosilicat.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。 Bạn có thể sử dụng nó (размером <10 mét) để đạt được điều đó. Các pha giàu cacbon (<10 µm) chiếm ưu thế trong ma trận giàu phyllosilicat.Các khoáng chất phụ trợ khác được thể hiện trong Bảng bổ sung 1. Danh sách các khoáng chất được xác định từ mẫu nhiễu xạ tia X của hỗn hợp C0087, A0029 và A0037 rất nhất quán với danh sách được xác định trong thiên thạch CI (Orgueil), nhưng khác biệt đáng kể so với thiên thạch CY và CM (loại Mighei) (Hình 1 với dữ liệu mở rộng và Hình bổ sung 2). Tổng hàm lượng nguyên tố của các hạt Ryugu (A0098, C0068) cũng nhất quán với thiên thạch 6 CI (dữ liệu mở rộng, Hình 2 và Bảng bổ sung 2). Ngược lại, thiên thạch CM bị thiếu hụt các nguyên tố dễ bay hơi vừa phải và cao, đặc biệt là Mn và Zn, và có hàm lượng cao hơn các nguyên tố chịu nhiệt7. Nồng độ của một số nguyên tố thay đổi rất nhiều, điều này có thể phản ánh tính không đồng nhất vốn có của mẫu do kích thước nhỏ của các hạt riêng lẻ và sai lệch lấy mẫu dẫn đến. Tất cả các đặc điểm thạch học, khoáng vật học và nguyên tố đều cho thấy các hạt Ryugu rất giống với các thiên thạch chondrite CI8,9,10. Một ngoại lệ đáng chú ý là sự vắng mặt của ferrihydrite và sulfate trong các hạt Ryugu, cho thấy rằng các khoáng chất này trong các thiên thạch chondrite CI được hình thành do quá trình phong hóa trên Trái đất.
a, Hình ảnh nhiễu xạ tia X tổng hợp của Mg Kα (đỏ), Ca Kα (xanh lá), Fe Kα (xanh dương) và S Kα (vàng) trên mặt cắt khô được đánh bóng C0068. Thành phần bao gồm silicat lớp (đỏ: ~88% thể tích), cacbonat (đôlômit; xanh lá nhạt: ~1,6% thể tích), magnetit (xanh dương: ~5,3% thể tích) và sunfua (vàng: sunfua = ~2,5% thể tích). b, hình ảnh vùng đường viền trong các electron tán xạ ngược trên a. Bru – chưa trưởng thành; Dole – đôlômit; FeS là sunfua sắt; Mag – magnetit; juice – đá xà phòng; Srp – serpentin. c, hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) độ phân giải cao của sự xen kẽ saponit-serpentin điển hình cho thấy các dải mạng tinh thể serpentin và saponit có kích thước lần lượt là 0,7 nm và 1,1 nm.
Thành phần của chất nền và silicat lớp (tính theo %) của các hạt Ryugu A0037 (vòng tròn màu đỏ đặc) và C0068 (vòng tròn màu xanh đặc) được thể hiện trong hệ tam phân (Si+Al)-Mg-Fe. a, Kết quả Phân tích Vi điểm Điện tử (EPMA) được vẽ biểu đồ so với các thiên thạch chondrite CI (Ivuna, Orgueil, Alais)16 được hiển thị bằng màu xám để so sánh. b, Phân tích Kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) và quang phổ tia X tán xạ năng lượng (EDS) được hiển thị để so sánh với các thiên thạch Orgueil9 và Murchison46 và IDP47 ngậm nước. Các phyllosilicat hạt mịn và hạt thô đã được phân tích, tránh các hạt nhỏ của sunfua sắt. Các đường chấm trong a và b cho thấy các đường hòa tan của saponit và serpentin. Thành phần giàu sắt trong a có thể là do các hạt sunfua sắt dưới micromet nằm trong các hạt silicat lớp, điều này không thể loại trừ được bởi độ phân giải không gian của phân tích EPMA. Các điểm dữ liệu có hàm lượng Si cao hơn saponit trong hình b có thể do sự hiện diện của vật liệu giàu silic vô định hình kích thước nano trong các kẽ hở của lớp phyllosilicat. Số lượng phân tích: N=69 đối với A0037, N=68 đối với EPMA, N=68 đối với C0068, N=19 đối với A0037 và N=27 đối với C0068 đối với STEM-EDS. c, bản đồ đồng vị của hạt trioxy Ryugu C0014-4 so sánh với các giá trị chondrite CI (Orgueil), CY (Y-82162) và dữ liệu từ tài liệu (CM và C2-ung)41,48,49. Chúng tôi đã thu được dữ liệu cho các thiên thạch Orgueil và Y-82162. CCAM là một đường khoáng chất chondrite cacbon khan, TFL là một đường phân chia đất liền. d, Bản đồ Δ17O và δ18O của hạt Ryugu C0014-4, thiên thạch CI (Orgueil) và thiên thạch CY (Y-82162) (nghiên cứu này). Δ17O_Ryugu: Giá trị Δ17O của C0014-1. Δ17O_Orgueil: Giá trị Δ17O trung bình của Orgueil. Δ17O_Y-82162: Giá trị Δ17O trung bình của Y-82162. Dữ liệu CI và CY từ tài liệu tham khảo 41, 48, 49 cũng được hiển thị để so sánh.
Phân tích đồng vị khối lượng của oxy được thực hiện trên mẫu vật liệu 1,83 mg được chiết xuất từ ​​C0014 dạng hạt bằng phương pháp huỳnh quang laser (Phương pháp). Để so sánh, chúng tôi đã chạy bảy bản sao của Orgueil (CI) (tổng khối lượng = 8,96 mg) và bảy bản sao của Y-82162 (CY) (tổng khối lượng = 5,11 mg) (Bảng bổ sung 3).
Hình 2d cho thấy sự phân tách rõ ràng của Δ17O và δ18O giữa các hạt trung bình theo trọng lượng của Orgeil và Ryugu so với Y-82162. Giá trị Δ17O của hạt Ryugu C0014-4 cao hơn so với hạt Orgeil, mặc dù có sự chồng chéo ở mức 2 độ lệch chuẩn. Các hạt Ryugu có giá trị Δ17O cao hơn so với Orgeil, điều này có thể phản ánh sự ô nhiễm trên cạn của Orgeil kể từ khi nó rơi vào năm 1864. Quá trình phong hóa trong môi trường trên cạn¹¹ nhất thiết dẫn đến sự tích hợp oxy trong khí quyển, đưa phân tích tổng thể gần hơn với đường phân tách trên cạn (TFL). Kết luận này phù hợp với dữ liệu khoáng vật học (đã thảo luận trước đó) cho thấy các hạt Ryugu không chứa hydrat hoặc sulfat, trong khi Orgeil thì có.
Dựa trên dữ liệu khoáng vật học nêu trên, những kết quả này ủng hộ mối liên hệ giữa các hạt Ryugu và thiên thạch CI, nhưng loại trừ mối liên hệ với thiên thạch CY. Việc các hạt Ryugu không liên quan đến thiên thạch CY, vốn cho thấy rõ dấu hiệu của khoáng vật học mất nước, là điều khó hiểu. Quan sát quỹ đạo của Ryugu dường như cho thấy nó đã trải qua quá trình mất nước và do đó có khả năng được cấu tạo từ vật liệu CY. Lý do cho sự khác biệt rõ ràng này vẫn chưa rõ. Phân tích đồng vị oxy của các hạt Ryugu khác được trình bày trong bài báo kèm theo 12. Tuy nhiên, kết quả của bộ dữ liệu mở rộng này cũng phù hợp với mối liên hệ giữa các hạt Ryugu và thiên thạch CI.
Sử dụng các kỹ thuật phân tích vi mô phối hợp (Hình bổ sung 3), chúng tôi đã kiểm tra sự phân bố không gian của cacbon hữu cơ trên toàn bộ diện tích bề mặt của phần chùm ion tập trung (FIB) C0068.25 (Hình 3a–f). Phổ hấp thụ tia X cấu trúc mịn của cacbon (NEXAFS) ở vùng gần rìa trong phần C0068.25 cho thấy một số nhóm chức – thơm hoặc C=C (285,2 eV), C=O (286,5 eV), CH (287,5 eV) và C(=O)O (288,8 eV) – cấu trúc graphene không xuất hiện ở 291,7 eV (Hình 3a), điều này có nghĩa là mức độ biến đổi nhiệt thấp. Đỉnh CH mạnh (287,5 eV) của các chất hữu cơ một phần của C0068.25 khác với các chất hữu cơ không hòa tan của các thiên thạch cacbon đã được nghiên cứu trước đây và tương tự hơn với IDP14 và các hạt sao chổi thu được từ sứ mệnh Stardust. Đỉnh CH mạnh ở 287,5 eV và đỉnh thơm hoặc C=C rất yếu ở 285,2 eV cho thấy các hợp chất hữu cơ giàu hợp chất béo (Hình 3a và Hình bổ sung 3a). Các vùng giàu hợp chất hữu cơ béo được định vị trong các khoáng vật phyllosilicat hạt thô, cũng như trong các vùng có cấu trúc cacbon thơm (hoặc C=C) nghèo (Hình 3c,d). Ngược lại, A0037,22 (Hình bổ sung 3) cho thấy một phần hàm lượng các vùng giàu cacbon béo thấp hơn. Khoáng vật học cơ bản của các hạt này giàu cacbonat, tương tự như chondrite CI 16, cho thấy sự biến đổi rộng rãi của nguồn nước (Bảng bổ sung 1). Điều kiện oxy hóa sẽ làm tăng nồng độ các nhóm chức cacbonyl và carboxyl trong các hợp chất hữu cơ liên kết với cacbonat. Sự phân bố dưới micromet của các chất hữu cơ có cấu trúc cacbon béo có thể rất khác so với sự phân bố của các silicat lớp hạt thô. Dấu vết của các hợp chất hữu cơ béo liên quan đến phyllosilicat-OH đã được tìm thấy trong thiên thạch Tagish Lake. Dữ liệu phân tích vi mô phối hợp cho thấy rằng vật chất hữu cơ giàu hợp chất béo có thể phổ biến rộng rãi trong các tiểu hành tinh loại C và liên quan chặt chẽ với phyllosilicat. Kết luận này phù hợp với các báo cáo trước đây về các nhóm CH béo/thơm trong các hạt Ryugu được chứng minh bằng MicroOmega, một kính hiển vi siêu phổ cận hồng ngoại. Một câu hỏi quan trọng và chưa được giải đáp là liệu các đặc tính độc đáo của các hợp chất hữu cơ giàu cacbon béo liên quan đến phyllosilicat hạt thô được quan sát trong nghiên cứu này chỉ được tìm thấy trên tiểu hành tinh Ryugu hay không.
a, Phổ carbon NEXAFS được chuẩn hóa đến 292 eV trong vùng giàu hợp chất thơm (C=C) (màu đỏ), trong vùng giàu hợp chất béo (màu xanh lá cây) và trong chất nền (màu xanh lam). Đường màu xám là phổ hữu cơ không tan Murchison 13 để so sánh. au, đơn vị trọng tài. b, Hình ảnh phổ hiển vi truyền tia X quét (STXM) của cạnh K carbon cho thấy phần này chủ yếu là carbon. c, Biểu đồ tổng hợp RGB với các vùng giàu hợp chất thơm (C=C) (màu đỏ), các vùng giàu hợp chất béo (màu xanh lá cây) và chất nền (màu xanh lam). d, Các chất hữu cơ giàu hợp chất béo tập trung trong phyllosilicat hạt thô, vùng này được phóng to từ các ô chấm trắng trong b và c. e, Các hạt nano lớn (ng-1) trong vùng được phóng to từ ô chấm trắng trong b và c. Đối với: pyrrhotite. Pn: nickel-chromite. f, Hình ảnh phân bố nguyên tố Hydro (1H), Cacbon (12C) và Nitơ (12C14N) bằng phương pháp đo phổ khối ion thứ cấp ở quy mô nano (NanoSIMS), hình ảnh tỷ lệ nguyên tố 12C/1H và hình ảnh đồng vị chéo δD, δ13C và δ15N – Phần PG-1: than chì tiền Mặt Trời với độ làm giàu 13C cực cao (Bảng bổ sung 4).
Các nghiên cứu động học về sự phân hủy chất hữu cơ trong thiên thạch Murchison có thể cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố không đồng nhất của chất hữu cơ béo giàu trong các hạt Ryugu. Nghiên cứu này cho thấy các liên kết CH béo trong chất hữu cơ tồn tại đến nhiệt độ tối đa khoảng 30°C ở vật liệu mẹ và/hoặc thay đổi theo mối quan hệ thời gian-nhiệt độ (ví dụ: 200 năm ở 100°C và 0°C trong 100 triệu năm). Nếu vật liệu tiền thân không được nung nóng ở một nhiệt độ nhất định trong thời gian dài hơn một khoảng thời gian nhất định, sự phân bố ban đầu của các chất hữu cơ béo giàu phyllosilicat có thể được bảo tồn. Tuy nhiên, sự thay đổi nước trong đá nguồn có thể làm phức tạp cách giải thích này, vì A0037 giàu cacbonat không cho thấy bất kỳ vùng béo giàu cacbon nào liên quan đến phyllosilicat. Sự thay đổi nhiệt độ thấp này gần tương ứng với sự hiện diện của feldspar lập phương trong các hạt Ryugu (Bảng bổ sung 1) 20.
Phân đoạn C0068,25 (ng-1; Hình 3a–c,e) chứa một quả cầu nano lớn thể hiện phổ rất thơm (hoặc C=C), béo vừa phải và phổ yếu của C(=O)O và C=O. Dấu hiệu của carbon béo không khớp với dấu hiệu của các chất hữu cơ không hòa tan khối lượng lớn và các quả cầu nano hữu cơ liên quan đến chondrite (Hình 3a) 17,21. Phân tích quang phổ Raman và hồng ngoại của các quả cầu nano trong Hồ Tagish cho thấy chúng bao gồm các hợp chất hữu cơ béo và bị oxy hóa và các hợp chất hữu cơ thơm đa vòng không trật tự với cấu trúc phức tạp22,23. Vì ma trận xung quanh chứa các chất hữu cơ giàu hợp chất béo, nên dấu hiệu của carbon béo trong ng-1 có thể là một hiện tượng giả tạo trong phân tích. Điều thú vị là, ng-1 chứa các silicat vô định hình được nhúng (Hình 3e), một cấu trúc chưa từng được báo cáo đối với bất kỳ chất hữu cơ ngoài Trái đất nào. Silicat vô định hình có thể là thành phần tự nhiên của ng-1 hoặc là kết quả của quá trình vô định hình hóa silicat trong dung dịch/khan bằng chùm ion và/hoặc electron trong quá trình phân tích.
Hình ảnh ion NanoSIMS của phần C0068.25 (Hình 3f) cho thấy sự thay đổi đồng đều về δ13C và δ15N, ngoại trừ các hạt tiền Mặt Trời với sự làm giàu 13C lớn là 30.811‰ (PG-1 trong hình ảnh δ13C ở Hình 3f) (Bảng bổ sung 4). Hình ảnh hạt cơ bản bằng tia X và hình ảnh TEM độ phân giải cao chỉ cho thấy nồng độ carbon và khoảng cách giữa các mặt phẳng đáy là 0,3 nm, tương ứng với graphit. Điều đáng chú ý là các giá trị của δD (841 ± 394‰) và δ15N (169 ± 95‰), được làm giàu trong chất hữu cơ béo liên kết với phyllosilicat hạt thô, hóa ra cao hơn một chút so với mức trung bình của toàn bộ vùng C (δD = 528 ± 139‰). ‰, δ15N = 67 ± 15 ‰) trong C0068.25 (Bảng bổ sung 4). Quan sát này cho thấy rằng các chất hữu cơ giàu aliphatic trong phyllosilicat hạt thô có thể nguyên thủy hơn so với các chất hữu cơ xung quanh, vì các chất hữu cơ xung quanh có thể đã trải qua quá trình trao đổi đồng vị với nước xung quanh trong vật thể ban đầu. Ngoài ra, những thay đổi đồng vị này cũng có thể liên quan đến quá trình hình thành ban đầu. Người ta giải thích rằng các silicat lớp hạt mịn trong chondrite CI được hình thành do sự biến đổi liên tục của các cụm silicat khan hạt thô ban đầu. Vật chất hữu cơ giàu aliphatic có thể đã được hình thành từ các phân tử tiền thân trong đĩa tiền hành tinh hoặc môi trường giữa các vì sao trước khi hình thành hệ mặt trời, và sau đó đã bị biến đổi nhẹ trong quá trình thay đổi nước của vật thể mẹ Ryugu (lớn). Kích thước (<1,0 km) của Ryugu quá nhỏ để duy trì đủ nhiệt độ bên trong cho quá trình biến đổi thủy hóa tạo thành khoáng chất ngậm nước25. Kích thước (<1,0 km) của Ryugu quá nhỏ để duy trì đủ nhiệt lượng bên trong cho quá trình biến đổi thủy phân tạo thành khoáng chất ngậm nước25. Размер (<1,0 км) Bạn có thể sử dụng nó để có được một khoản vay изменения с образованием водных минералов25. Kích thước (<1,0 km) của Ryugu quá nhỏ để duy trì đủ nhiệt lượng bên trong cho quá trình biến đổi nước tạo thành khoáng chất trong nước25. 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。 Размер Рюгу (<1,0 км) слишком мал, чтобы поддерживать внутреннее тепло для изменения воды с образованием водных минералов25. Kích thước của Ryugu (<1,0 km) quá nhỏ để duy trì nhiệt lượng bên trong nhằm chuyển hóa nước thành khoáng chất trong nước25.Do đó, có thể cần đến những tiền thân của Ryugu có kích thước hàng chục kilômét. Chất hữu cơ giàu hợp chất béo có thể giữ lại tỷ lệ đồng vị ban đầu do liên kết với các khoáng vật phyllosilicat hạt thô. Tuy nhiên, bản chất chính xác của các chất mang đồng vị nặng vẫn chưa chắc chắn do sự pha trộn phức tạp và tinh tế của các thành phần khác nhau trong các phần FIB này. Chúng có thể là các chất hữu cơ giàu hợp chất béo trong các hạt Ryugu hoặc các khoáng vật phyllosilicat hạt thô bao quanh chúng. Lưu ý rằng chất hữu cơ trong hầu hết các thiên thạch cacbon (bao gồm cả thiên thạch CI) có xu hướng giàu D hơn phyllosilicat, ngoại trừ các thiên thạch CM Paris 24, 26.
Biểu đồ thể tích δD và δ15N của các lát cắt FIB thu được cho A0002.23 và A0002.26, A0037.22 và A0037.23 và C0068.23, C0068.25 và C0068.26 (tổng cộng bảy lát cắt FIB từ ba hạt Ryugu). So sánh NanoSIMS với các vật thể khác trong hệ mặt trời được thể hiện trong hình 4 (Bảng bổ sung 4)27,28. Sự thay đổi thể tích trong δD và δ15N trong các mặt cắt A0002, A0037 và C0068 phù hợp với các mặt cắt trong IDP, nhưng cao hơn so với các thiên thạch CM và CI (Hình 4). Lưu ý rằng phạm vi giá trị δD của mẫu Sao chổi 29 (-240 đến 1655‰) lớn hơn so với Ryugu. Giá trị δD và δ15N của các mẫu Ryukyu thường nhỏ hơn mức trung bình của các sao chổi thuộc họ Sao Mộc và đám mây Oort (Hình 4). Giá trị δD thấp hơn của các thiên thạch CI có thể phản ánh ảnh hưởng của sự nhiễm bẩn từ Trái Đất trong các mẫu này. Với những điểm tương đồng giữa Bells, Hồ Tagish và IDP, sự không đồng nhất lớn về giá trị δD và δN trong các hạt Ryukyu có thể phản ánh những thay đổi trong dấu hiệu đồng vị ban đầu của các thành phần hữu cơ và nước trong hệ mặt trời sơ khai. Những thay đổi đồng vị tương tự về δD và δN trong các hạt Ryukyu và IDP cho thấy cả hai có thể được hình thành từ vật liệu từ cùng một nguồn. Người ta tin rằng IDP có nguồn gốc từ các nguồn sao chổi 14. Do đó, Ryukyu có thể chứa vật liệu giống sao chổi và/hoặc ít nhất là từ hệ mặt trời bên ngoài. Tuy nhiên, điều này có thể khó khăn hơn những gì chúng tôi nêu ở đây do (1) sự pha trộn giữa nước hình cầu và nước giàu D trên vật thể mẹ 31 và (2) tỷ lệ D/H của sao chổi là một hàm của hoạt động sao chổi 32. Tuy nhiên, lý do cho sự không đồng nhất được quan sát thấy của các đồng vị hydro và nitơ trong các hạt Ryugu vẫn chưa được hiểu đầy đủ, một phần do số lượng phân tích hiện có còn hạn chế. Kết quả của hệ thống đồng vị hydro và nitơ vẫn đặt ra khả năng Ryugu chứa hầu hết vật chất từ ​​bên ngoài Hệ Mặt trời và do đó có thể cho thấy một số điểm tương đồng với sao chổi. Hồ sơ Ryugu không cho thấy mối tương quan rõ ràng giữa δ13C và δ15N (Bảng bổ sung 4).
Thành phần đồng vị H và N tổng thể của các hạt Ryugu (vòng tròn đỏ: A0002, A0037; vòng tròn xanh: C0068) tương quan với các sao chổi có độ sáng 27 của Mặt Trời, nhóm sao chổi trung bình của Sao Mộc (JFC27), và các sao chổi đám mây Oort (OCC27), IDP28, và các chondrule cacbon. So sánh với thiên thạch 27 (CI, CM, CR, C2-ung). Thành phần đồng vị được trình bày trong Bảng bổ sung 4. Các đường chấm chấm là giá trị đồng vị trên Trái Đất đối với H và N.
Việc vận chuyển các chất dễ bay hơi (ví dụ như chất hữu cơ và nước) đến Trái Đất vẫn là một mối quan ngại26,27,33. Chất hữu cơ siêu nhỏ liên kết với các khoáng vật phyllosilicat thô trong các hạt Ryugu được xác định trong nghiên cứu này có thể là một nguồn chất dễ bay hơi quan trọng. Chất hữu cơ trong các khoáng vật phyllosilicat hạt thô được bảo vệ tốt hơn khỏi sự phân hủy16,34 và phân rã35 so với chất hữu cơ trong các ma trận hạt mịn. Thành phần đồng vị nặng hơn của hydro trong các hạt có nghĩa là chúng khó có thể là nguồn chất dễ bay hơi duy nhất được mang đến Trái Đất sơ khai. Chúng có thể được trộn lẫn với các thành phần có thành phần đồng vị hydro nhẹ hơn, như đã được đề xuất gần đây trong giả thuyết về sự hiện diện của nước do gió mặt trời mang đến trong silicat.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ ra rằng các thiên thạch CI, mặc dù có tầm quan trọng về mặt địa hóa học như là đại diện cho thành phần tổng thể của hệ mặt trời,6,10 nhưng lại là các mẫu bị ô nhiễm từ Trái đất. Chúng tôi cũng cung cấp bằng chứng trực tiếp về sự tương tác giữa vật chất hữu cơ béo giàu và các khoáng chất ngậm nước lân cận, đồng thời cho rằng Ryugu có thể chứa vật chất ngoài hệ mặt trời37. Kết quả của nghiên cứu này chứng minh rõ ràng tầm quan trọng của việc lấy mẫu trực tiếp các tiền sao băng và sự cần thiết phải vận chuyển các mẫu thu được trong điều kiện hoàn toàn trơ và vô trùng. Bằng chứng được trình bày ở đây cho thấy các hạt Ryugu chắc chắn là một trong những vật liệu hệ mặt trời ít bị ô nhiễm nhất hiện có cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, và việc nghiên cứu sâu hơn các mẫu quý giá này chắc chắn sẽ mở rộng hiểu biết của chúng ta về các quá trình sơ khai của hệ mặt trời. Các hạt Ryugu là đại diện tốt nhất cho thành phần tổng thể của hệ mặt trời.
Để xác định cấu trúc vi mô phức tạp và các tính chất hóa học của các mẫu có kích thước dưới micromet, chúng tôi đã sử dụng chụp cắt lớp vi tính dựa trên bức xạ synchrotron (SR-XCT) và nhiễu xạ tia X (XRD)-CT, FIB-STXM-NEXAFS-NanoSIMS-TEM. Không có sự xuống cấp, ô nhiễm do khí quyển trái đất, và không có hư hại từ các hạt mịn hoặc mẫu cơ học. Đồng thời, chúng tôi đã tiến hành phân tích thể tích một cách có hệ thống bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM)-EDS, EPMA, XRD, phân tích kích hoạt neutron bằng thiết bị (INAA) và thiết bị fluor hóa đồng vị oxy bằng laser. Các quy trình phân tích được thể hiện trong Hình bổ sung 3 và mỗi quy trình phân tích được mô tả trong các phần tiếp theo.
Các hạt từ tiểu hành tinh Ryugu đã được thu hồi từ mô-đun tái nhập khí quyển Hayabusa-2 và được vận chuyển đến Trung tâm Kiểm soát JAXA ở Sagamihara, Nhật Bản, mà không gây ô nhiễm bầu khí quyển Trái đất4. Sau khi phân tích đặc tính ban đầu và không phá hủy tại một cơ sở do JAXA quản lý, hãy sử dụng các thùng chứa vận chuyển giữa các địa điểm có thể niêm phong và túi đựng mẫu (tinh thể sapphire đường kính 10 hoặc 15 mm và thép không gỉ, tùy thuộc vào kích thước mẫu) để tránh nhiễu môi trường và/hoặc các chất gây ô nhiễm trên mặt đất (ví dụ: hơi nước, hydrocarbon, khí quyển và các hạt mịn) và sự nhiễm chéo giữa các mẫu trong quá trình chuẩn bị mẫu và vận chuyển giữa các viện và trường đại học38. Để tránh sự xuống cấp và ô nhiễm do tương tác với khí quyển Trái đất (hơi nước và oxy), tất cả các loại chuẩn bị mẫu (bao gồm cả việc đục bằng đục tantalum, sử dụng cưa dây kim cương cân bằng (Meiwa Fosis Corporation DWS 3400) và cắt epoxy) để chuẩn bị lắp đặt đều được thực hiện trong hộp kín dưới khí N2 khô sạch (điểm sương: -80 đến -60 °C, O2 ~50-100 ppm). Tất cả các vật dụng được sử dụng ở đây đều được làm sạch bằng hỗn hợp nước siêu tinh khiết và ethanol sử dụng sóng siêu âm có tần số khác nhau.
Ở đây chúng tôi nghiên cứu bộ sưu tập thiên thạch của Viện Nghiên cứu Địa cực Quốc gia (NIPR) thuộc Trung tâm Nghiên cứu Thiên thạch Nam Cực (CI: Orgueil, CM2.4: Yamato (Y)-791198, CY: Y-82162 và CY: Y 980115).
Để chuyển đổi giữa các thiết bị dùng cho phân tích SR-XCT, NanoSIMS, STXM-NEXAFS và TEM, chúng tôi đã sử dụng giá đỡ mẫu siêu mỏng đa năng được mô tả trong các nghiên cứu trước đây38.
Phân tích SR-XCT các mẫu Ryugu được thực hiện bằng hệ thống CT tích hợp BL20XU/SPring-8. Hệ thống CT tích hợp bao gồm nhiều chế độ đo: chế độ trường nhìn rộng và độ phân giải thấp (WL) để thu toàn bộ cấu trúc của mẫu, chế độ trường nhìn hẹp và độ phân giải cao (NH) để đo chính xác vùng quan tâm của mẫu và chụp X-quang để thu được mẫu nhiễu xạ của thể tích mẫu, và thực hiện XRD-CT để thu được biểu đồ 2D của các pha khoáng chất trên mặt phẳng ngang trong mẫu. Lưu ý rằng tất cả các phép đo có thể được thực hiện mà không cần sử dụng hệ thống tích hợp để tháo giá đỡ mẫu khỏi đế, cho phép đo CT và XRD-CT chính xác. Máy dò tia X chế độ WL (BM AA40P; Hamamatsu Photonics) được trang bị thêm một camera bán dẫn oxit kim loại (CMOS) 4608 × 4608 pixel (C14120-20P; Hamamatsu Photonics) với bộ phát quang gồm 10 tinh thể đơn lutetium nhôm garnet có độ dày µm (Lu3Al5O12:Ce) và thấu kính chuyển tiếp. Kích thước pixel ở chế độ WL khoảng 0,848 µm. Do đó, trường nhìn (FOV) ở chế độ WL xấp xỉ 6 mm ở chế độ CT lệch. Máy dò tia X chế độ NH (BM AA50; Hamamatsu Photonics) được trang bị một lớp phát quang gadolinium-nhôm-gali garnet (Gd3Al2Ga3O12) dày 20 µm, một camera CMOS (C11440-22CU) với độ phân giải 2048 × 2048 pixel; Hamamatsu Photonics) và một thấu kính ×20. Kích thước pixel ở chế độ NH là ~0,25 µm và trường nhìn là ~0,5 mm. Máy dò cho chế độ XRD (BM AA60; Hamamatsu Photonics) được trang bị một lớp phát quang bao gồm một màn bột P43 (Gd2O2S:Tb) dày 50 µm, một camera CMOS độ phân giải 2304 × 2304 pixel (C15440-20UP; Hamamatsu Photonics) và một thấu kính chuyển tiếp. Đầu dò có kích thước điểm ảnh hiệu dụng là 19,05 µm và trường nhìn là 43,9 mm². Để tăng trường nhìn, chúng tôi đã áp dụng quy trình chụp CT bù trừ ở chế độ WL. Hình ảnh ánh sáng truyền qua để tái tạo CT bao gồm một hình ảnh trong phạm vi từ 180° đến 360° được phản xạ theo chiều ngang xung quanh trục quay, và một hình ảnh trong phạm vi từ 0° đến 180°.
Ở chế độ XRD, chùm tia X được hội tụ bởi một thấu kính Fresnel. Trong chế độ này, đầu dò được đặt cách mẫu 110 mm và bộ chặn tia nằm cách đầu dò 3 mm. Ảnh nhiễu xạ trong phạm vi 2θ từ 1,43° đến 18,00° (bước lưới d = 16,6–1,32 Å) được thu thập với điểm tia X được hội tụ ở đáy trường nhìn của đầu dò. Mẫu di chuyển theo chiều dọc theo các khoảng đều đặn, với một nửa vòng quay cho mỗi bước quét dọc. Nếu các hạt khoáng chất thỏa mãn điều kiện Bragg khi xoay 180°, có thể thu được nhiễu xạ của các hạt khoáng chất trong mặt phẳng ngang. Sau đó, các ảnh nhiễu xạ được kết hợp thành một ảnh cho mỗi bước quét dọc. Điều kiện phân tích SR-XRD-CT gần giống với điều kiện phân tích SR-XRD. Ở chế độ XRD-CT, đầu dò được đặt cách mẫu 69 mm. Ảnh nhiễu xạ trong phạm vi 2θ từ 1,2° đến 17,68° (d = 19,73 đến 1,35 Å), trong đó cả chùm tia X và bộ giới hạn chùm tia đều nằm trên cùng một đường thẳng với tâm trường nhìn của đầu dò. Quét mẫu theo chiều ngang và xoay mẫu 180°. Ảnh SR-XRD-CT được tái tạo với cường độ khoáng chất cực đại làm giá trị pixel. Với quét ngang, mẫu thường được quét trong 500–1000 bước.
Đối với tất cả các thí nghiệm, năng lượng tia X được cố định ở mức 30 keV, vì đây là giới hạn dưới của khả năng xuyên thấu tia X vào các thiên thạch có đường kính khoảng 6 mm. Số lượng ảnh thu được cho tất cả các phép đo CT trong quá trình xoay 180° là 1800 (3600 đối với chương trình CT bù trừ), và thời gian phơi sáng cho các ảnh là 100 ms đối với chế độ WL, 300 ms đối với chế độ NH, 500 ms đối với XRD và 50 ms đối với XRD-CT. Thời gian quét mẫu điển hình là khoảng 10 phút ở chế độ WL, 15 phút ở chế độ NH, 3 giờ đối với XRD và 8 giờ đối với SR-XRD-CT.
Ảnh CT được tái tạo bằng phép chiếu ngược tích chập và chuẩn hóa theo hệ số suy giảm tuyến tính từ 0 đến 80 cm⁻¹. Phần mềm Slice được sử dụng để phân tích dữ liệu 3D và phần mềm muXRD được sử dụng để phân tích dữ liệu XRD.
Các hạt Ryugu cố định bằng epoxy (A0029, A0037, C0009, C0014 và C0068) được đánh bóng dần trên bề mặt đến mức độ của màng mài kim cương 0,5 µm (3M) trong điều kiện khô ráo, tránh để vật liệu tiếp xúc với bề mặt trong quá trình đánh bóng. Bề mặt được đánh bóng của mỗi mẫu được kiểm tra bằng kính hiển vi quang học và sau đó sử dụng điện tử tán xạ ngược để thu được hình ảnh khoáng vật học và cấu trúc (BSE) của các mẫu và các nguyên tố NIPR định tính bằng kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7100F được trang bị máy quang phổ tán xạ năng lượng (AZtec). Đối với mỗi mẫu, hàm lượng các nguyên tố chính và phụ được phân tích bằng máy phân tích vi điểm điện tử (EPMA, JEOL JXA-8200). Phân tích các hạt phyllosilicat và cacbonat ở 5 nA, các chất chuẩn tự nhiên và tổng hợp ở 15 keV, sunfua, magnetit, olivin và pyroxen ở 30 nA. Hàm lượng khoáng chất được tính toán từ bản đồ nguyên tố và ảnh BSE bằng phần mềm ImageJ 1.53 với các ngưỡng thích hợp được thiết lập tùy ý cho từng khoáng chất.
Phân tích đồng vị oxy được thực hiện tại Đại học Mở (Milton Keynes, Anh) bằng hệ thống huỳnh quang laser hồng ngoại. Các mẫu Hayabusa2 được vận chuyển đến Đại học Mở 38 trong các thùng chứa đầy nitơ để chuyển giữa các cơ sở.
Việc nạp mẫu được thực hiện trong hộp chứa khí nitơ với mức oxy được theo dõi dưới 0,1%. Đối với công việc phân tích Hayabusa2, một giá đỡ mẫu Ni mới đã được chế tạo, chỉ bao gồm hai lỗ mẫu (đường kính 2,5 mm, độ sâu 5 mm), một lỗ dành cho các hạt Hayabusa2 và lỗ còn lại dành cho chất chuẩn nội obsidian. Trong quá trình phân tích, giếng chứa mẫu vật liệu Hayabusa2 được che phủ bằng một cửa sổ BaF2 bên trong dày khoảng 1 mm và đường kính 3 mm để giữ mẫu trong suốt phản ứng laser. Luồng khí BrF5 đến mẫu được duy trì bằng một kênh trộn khí được cắt trong giá đỡ mẫu Ni. Buồng mẫu cũng được cấu hình lại để có thể tháo rời khỏi dây chuyền flo hóa chân không và sau đó mở trong hộp chứa khí nitơ. Buồng hai mảnh được bịt kín bằng một vòng đệm nén bằng đồng và một kẹp xích EVAC Quick Release CeFIX 38. Một cửa sổ BaF2 dày 3 mm ở phía trên buồng cho phép quan sát đồng thời mẫu và quá trình gia nhiệt bằng laser. Sau khi nạp mẫu, kẹp buồng lại và kết nối lại với dây chuyền flo hóa. Trước khi phân tích, buồng chứa mẫu được gia nhiệt trong chân không đến khoảng 95°C qua đêm để loại bỏ hơi ẩm bám dính. Sau khi gia nhiệt qua đêm, buồng được để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó phần tiếp xúc với không khí trong quá trình chuyển mẫu được sục khí BrF5 ba lần để loại bỏ hơi ẩm. Các bước này đảm bảo mẫu Hayabusa 2 không tiếp xúc với không khí và không bị nhiễm ẩm từ phần đường ống chứa flo được thông hơi ra ngoài trong quá trình nạp mẫu.
Các mẫu hạt Ryugu C0014-4 và Orgueil (CI) được phân tích ở chế độ “đơn” đã được sửa đổi42, trong khi phân tích Y-82162 (CY) được thực hiện trên một khay duy nhất với nhiều giếng mẫu41. Do thành phần khan nước của chúng, không cần thiết phải sử dụng một phương pháp duy nhất cho các thiên thạch CY. Các mẫu được nung nóng bằng laser CO2 hồng ngoại của Photon Machines Inc., công suất 50 W (10,6 µm) được gắn trên giàn XYZ với sự có mặt của BrF5. Hệ thống video tích hợp theo dõi quá trình phản ứng. Sau khi flo hóa, O2 được giải phóng được loại bỏ bằng hai bẫy nitơ đông lạnh và một lớp KBr được nung nóng để loại bỏ bất kỳ flo dư thừa nào. Thành phần đồng vị của oxy tinh khiết được phân tích trên máy quang phổ khối hai kênh Thermo Fisher MAT 253 với độ phân giải khối lượng khoảng 200.
Trong một số trường hợp, lượng khí O2 giải phóng trong quá trình phản ứng của mẫu nhỏ hơn 140 µg, đây là giới hạn xấp xỉ khi sử dụng thiết bị thổi khí trên máy đo phổ khối MAT 253. Trong những trường hợp này, hãy sử dụng thể tích nhỏ để phân tích. Sau khi phân tích các hạt Hayabusa2, chất chuẩn nội obsidian được fluor hóa và thành phần đồng vị oxy của nó được xác định.
Các ion của mảnh NF+ NF3+ gây nhiễu chùm tia có khối lượng 33 (16O17O). Để loại bỏ vấn đề tiềm ẩn này, hầu hết các mẫu được xử lý bằng quy trình tách bằng phương pháp đông lạnh. Điều này có thể được thực hiện theo hướng thuận trước khi phân tích MAT 253 hoặc như một phân tích thứ hai bằng cách đưa khí đã phân tích trở lại sàng phân tử đặc biệt và cho khí đi qua lại sau khi tách bằng phương pháp đông lạnh. Tách bằng phương pháp đông lạnh bao gồm việc cung cấp khí cho sàng phân tử ở nhiệt độ nitơ lỏng và sau đó xả khí vào sàng phân tử sơ cấp ở nhiệt độ -130°C. Thử nghiệm rộng rãi đã cho thấy rằng NF+ vẫn nằm trên sàng phân tử đầu tiên và không xảy ra sự phân tách đáng kể nào khi sử dụng phương pháp này.
Dựa trên các phân tích lặp đi lặp lại về các mẫu chuẩn obsidian nội bộ của chúng tôi, độ chính xác tổng thể của hệ thống ở chế độ thổi là: ±0,053‰ đối với δ17O, ±0,095‰ đối với δ18O, ±0,018‰ đối với Δ17O (2 độ lệch chuẩn). Phân tích đồng vị oxy được đưa ra theo ký hiệu delta tiêu chuẩn, trong đó delta18O được tính như sau:
Cũng sử dụng tỷ lệ 17O/16O cho δ17O. VSMOW là tiêu chuẩn quốc tế cho Tiêu chuẩn Nước biển Trung bình Vienna. Δ17O biểu thị độ lệch so với đường phân tách của Trái đất, và công thức tính toán là: Δ17O = δ17O – 0,52 × δ18O. Tất cả dữ liệu trình bày trong Bảng bổ sung 3 đã được điều chỉnh khoảng trống.
Các lát cắt có độ dày khoảng 150 đến 200 nm được tách ra từ các hạt Ryugu bằng thiết bị FIB Hitachi High Tech SMI4050 tại JAMSTEC, Viện Lấy mẫu Lõi Kochi. Lưu ý rằng tất cả các lát cắt FIB đều được thu hồi từ các mảnh vỡ chưa qua xử lý của các hạt chưa qua xử lý sau khi được lấy ra khỏi các bình chứa khí N2 để chuyển vật thể. Các mảnh vỡ này không được đo bằng SR-CT, nhưng được xử lý với mức độ tiếp xúc tối thiểu với khí quyển Trái đất để tránh hư hỏng và ô nhiễm tiềm tàng có thể ảnh hưởng đến phổ cạnh K của carbon. Sau khi phủ một lớp bảo vệ vonfram, vùng quan tâm (lên đến 25 × 25 μm2) được cắt và làm mỏng bằng chùm ion Ga+ ở điện áp gia tốc 30 kV, sau đó ở 5 kV và dòng điện thăm dò 40 pA để giảm thiểu hư hại bề mặt. Các lát cắt siêu mỏng sau đó được đặt trên một lưới đồng phóng to (lưới Kochi) 39 bằng cách sử dụng bộ vi thao tác được trang bị FIB.
Các viên nén Ryugu A0098 (1,6303mg) và C0068 (0,6483mg) được niêm phong hai lần trong các tấm polyetylen tinh khiết cao trong hộp chứa khí nitơ tinh khiết trên SPring-8 mà không có bất kỳ tương tác nào với khí quyển Trái đất. Việc chuẩn bị mẫu JB-1 (một loại đá tham chiếu địa chất do Cục Khảo sát Địa chất Nhật Bản ban hành) được thực hiện tại Đại học Thủ đô Tokyo.
Thí nghiệm INAA được tiến hành tại Viện Khoa học Bức xạ và Hạt nhân Tích hợp, Đại học Kyoto. Các mẫu được chiếu xạ hai lần với các chu kỳ chiếu xạ khác nhau được lựa chọn dựa trên chu kỳ bán rã của hạt nhân phóng xạ được sử dụng để định lượng nguyên tố. Đầu tiên, mẫu được chiếu xạ trong ống chiếu xạ khí nén trong 30 giây. Lưu lượng neutron nhiệt và neutron nhanh trong hình 3 lần lượt là 4,6 × 10¹² và 9,6 × 10¹¹ cm⁻² s⁻¹, được sử dụng để xác định hàm lượng Mg, Al, Ca, Ti, V và Mn. Các hóa chất như MgO (độ tinh khiết 99,99%, Soekawa Chemical), Al (độ tinh khiết 99,9%, Soekawa Chemical) và kim loại Si (độ tinh khiết 99,999%, FUJIFILM Wako Pure Chemical) cũng được chiếu xạ để hiệu chỉnh các phản ứng hạt nhân gây nhiễu như (n, n). Mẫu vật cũng được chiếu xạ bằng natri clorua (độ tinh khiết 99,99%; MANAC) để hiệu chỉnh các thay đổi về thông lượng neutron.
Sau khi chiếu xạ neutron, tấm polyethylene bên ngoài được thay thế bằng một tấm mới, và bức xạ gamma phát ra từ mẫu và mẫu đối chứng được đo ngay lập tức bằng máy dò Ge. Các mẫu tương tự được chiếu xạ lại trong 4 giờ trong ống chiếu xạ khí nén. Máy chiếu xạ 2 có thông lượng neutron nhiệt và neutron nhanh lần lượt là 5,6 × 10¹² và 1,2 × 10¹² cm⁻² s⁻¹ để xác định hàm lượng Na, K, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Ga, As, Se, Sb, Os, Ir và Au. Các mẫu đối chứng Ga, As, Se, Sb, Os, Ir và Au được chiếu xạ bằng cách nhỏ một lượng thích hợp (từ 10 đến 50 μg) dung dịch chuẩn có nồng độ đã biết của các nguyên tố này lên hai mảnh giấy lọc, sau đó chiếu xạ các mẫu. Việc đếm tia gamma được thực hiện tại Viện Khoa học Bức xạ và Hạt nhân Tích hợp, Đại học Kyoto và Trung tâm Nghiên cứu RI, Đại học Thủ đô Tokyo. Các quy trình phân tích và vật liệu tham khảo để định lượng các nguyên tố INAA giống như những quy trình đã được mô tả trong công trình trước đây của chúng tôi.
Máy nhiễu xạ tia X (Rigaku SmartLab) được sử dụng để thu thập các mẫu nhiễu xạ của các mẫu Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) và C0087 (<1 mg) tại NIPR. Máy nhiễu xạ tia X (Rigaku SmartLab) được sử dụng để thu thập các mẫu nhiễu xạ của các mẫu Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) và C0087 (<1 mg) tại NIPR. Рентгеновский дифрактометр (Rigaku SmartLab) đã được sử dụng để mô phỏng các công cụ của Ryugu A0029 (<1 мг), A0037 (≪1 mг) và C0087 (<1 mг) trên NIPR. Máy nhiễu xạ tia X (Rigaku SmartLab) được sử dụng để thu thập các mẫu nhiễu xạ của các mẫu Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (≪1 mg) và C0087 (<1 mg) tại 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。 Các thiết bị bảo vệ Ryugu A0029 (<1 мг), A0037 (<1 мг) và C0087 (<1 мг) Các thiết bị hỗ trợ cho NIPR с использованием рентгеновского дифрактометра (Rigaku SmartLab). Mẫu nhiễu xạ tia X của các mẫu Ryugu A0029 (<1 mg), A0037 (<1 mg) và C0087 (<1 mg) được thu thập tại NIPR bằng máy nhiễu xạ tia X (Rigaku SmartLab).Tất cả các mẫu đều được nghiền thành bột mịn trên tấm silicon không phản xạ bằng tấm kính sapphire, sau đó được trải đều trên tấm silicon không phản xạ mà không cần bất kỳ chất lỏng nào (nước hoặc cồn). Điều kiện đo như sau: Tia X Cu Kα được tạo ra ở điện áp ống 40 kV và dòng điện ống 40 mA, chiều dài khe giới hạn là 10 mm, góc phân kỳ là (1/6)°, tốc độ quay trong mặt phẳng là 20 vòng/phút, và phạm vi 2θ (góc Bragg kép) là 3-100° và mất khoảng 28 giờ để phân tích. Hệ quang học Bragg Brentano được sử dụng. Đầu dò là đầu dò bán dẫn silicon một chiều (D/teX Ultra 250). Tia X Cu Kβ được loại bỏ bằng bộ lọc Ni. Sử dụng các mẫu có sẵn, các phép đo saponit magie tổng hợp (JCSS-3501, Kunimine Industries CO. Ltd), serpentin (serpentin lá, Miyazu, Nikka) và pyrrhotit (monoclinic 4C, Chihua, Mexico Watts) đã được so sánh để xác định các đỉnh và sử dụng dữ liệu nhiễu xạ từ Trung tâm Dữ liệu Nhiễu xạ Quốc tế, dolomit (PDF 01-071-1662) và magnetit (PDF 00-019-0629). Dữ liệu nhiễu xạ từ Ryugu cũng được so sánh với dữ liệu về các thiên thạch cacbonat bị biến đổi do thủy nhiệt, Orgueil CI, Y-791198 CM2.4 và Y 980115 CY (giai đoạn nung III, 500–750°C). So sánh cho thấy sự tương đồng với Orgueil, nhưng không tương đồng với Y-791198 và Y 980115.
Phổ NEXAFS với cạnh carbon K của các lát cắt siêu mỏng từ mẫu được tạo ra bằng FIB đã được đo bằng kênh STXM BL4U tại cơ sở synchrotron UVSOR thuộc Viện Khoa học Phân tử (Okazaki, Nhật Bản). Kích thước điểm của chùm tia được hội tụ quang học bằng thấu kính Fresnel xấp xỉ 50 nm. Bước năng lượng là 0,1 eV đối với cấu trúc mịn của vùng gần cạnh (283,6–292,0 eV) và 0,5 eV (280,0–283,5 eV và 292,5–300,0 eV) đối với các vùng phía trước và phía sau. Thời gian cho mỗi pixel hình ảnh được đặt là 2 ms. Sau khi hút chân không, buồng phân tích STXM được nạp khí heli ở áp suất khoảng 20 mbar. Điều này giúp giảm thiểu sự trôi nhiệt của thiết bị quang học tia X trong buồng và giá đỡ mẫu, cũng như giảm hư hại và/hoặc oxy hóa mẫu. Phổ carbon cạnh K NEXAFS được tạo ra từ dữ liệu đã được xếp chồng bằng phần mềm aXis2000 và phần mềm xử lý dữ liệu độc quyền của STXM. Lưu ý rằng hộp đựng mẫu và hộp kín được sử dụng để tránh quá trình oxy hóa và nhiễm bẩn mẫu.
Sau phân tích STXM-NEXAFS, thành phần đồng vị của hydro, carbon và nitơ trong các lát cắt FIB Ryugu được phân tích bằng phương pháp tạo ảnh đồng vị sử dụng máy JAMSTEC NanoSIMS 50L. Một chùm tia sơ cấp Cs+ hội tụ với cường độ khoảng 2 pA cho phân tích đồng vị carbon và nitơ, và khoảng 13 pA cho phân tích đồng vị hydro, được quét trên diện tích khoảng 24 × 24 µm² đến 30 × 30 µm² trên mẫu. Sau khi phun sơ bộ 3 phút với dòng điện chùm tia sơ cấp tương đối mạnh, mỗi phân tích được bắt đầu sau khi cường độ chùm tia thứ cấp ổn định. Đối với phân tích đồng vị carbon và nitơ, hình ảnh của 12C–, 13C–, 16O–, 12C14N– và 12C15N– được thu nhận đồng thời bằng cách sử dụng hệ thống phát hiện đa kênh bảy bộ nhân điện tử với độ phân giải khối lượng xấp xỉ 9000, đủ để tách tất cả các hợp chất đồng vị liên quan. nhiễu (ví dụ: 12C1H trên 13C và 13C14N trên 12C15N). Để phân tích đồng vị hydro, hình ảnh 1H-, 2D- và 12C- được thu thập với độ phân giải khối lượng khoảng 3000 bằng phương pháp phát hiện đa điểm sử dụng ba bộ nhân electron. Mỗi phân tích bao gồm 30 hình ảnh được quét của cùng một khu vực, với một hình ảnh gồm 256 × 256 pixel cho phân tích đồng vị carbon và nitơ và 128 × 128 pixel cho phân tích đồng vị hydro. Thời gian trễ là 3000 µs trên mỗi pixel cho phân tích đồng vị carbon và nitơ và 5000 µs trên mỗi pixel cho phân tích đồng vị hydro. Chúng tôi đã sử dụng 1-hydroxybenzotriazole hydrate làm chuẩn đồng vị hydro, carbon và nitơ để hiệu chuẩn sự phân tách khối lượng của thiết bị45.
Để xác định thành phần đồng vị silic của than chì tiền Mặt Trời trong mẫu FIB C0068-25, chúng tôi đã sử dụng sáu bộ nhân electron với độ phân giải khối lượng khoảng 9000. Các hình ảnh bao gồm 256 × 256 pixel với thời gian trễ 3000 µs mỗi pixel. Chúng tôi đã hiệu chuẩn một thiết bị phân tách khối lượng bằng cách sử dụng các tấm silicon làm chuẩn đồng vị hydro, carbon và silic.
Các ảnh đồng vị được xử lý bằng phần mềm xử lý ảnh NanoSIMS45 của NASA. Dữ liệu được hiệu chỉnh cho thời gian chết của bộ khuếch đại điện tử (44 ns) và hiệu ứng đến gần đồng thời. Mỗi ảnh được căn chỉnh quét khác nhau để hiệu chỉnh sự trôi lệch ảnh trong quá trình thu thập. Ảnh đồng vị cuối cùng được tạo ra bằng cách cộng các ion thứ cấp từ mỗi ảnh cho mỗi pixel quét.
Sau khi phân tích bằng STXM-NEXAFS và NanoSIMS, các mặt cắt FIB tương tự được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (JEOL JEM-ARM200F) ở điện áp gia tốc 200 kV tại Kochi, JAMSTEC. Cấu trúc vi mô được quan sát bằng TEM trường sáng và TEM quét góc cao trong trường tối. Các pha khoáng chất được xác định bằng nhiễu xạ điện tử điểm và hình ảnh dải mạng tinh thể, và phân tích hóa học được thực hiện bằng EDS với đầu dò trôi silicon 100 mm2 và phần mềm JEOL Analysis Station 4.30. Để phân tích định lượng, cường độ tia X đặc trưng cho mỗi nguyên tố được đo ở chế độ quét TEM với thời gian thu thập dữ liệu cố định là 30 s, diện tích quét chùm tia khoảng ~100 × 100 nm2 và dòng điện chùm tia là 50 pA. Tỷ lệ (Si + Al)-Mg-Fe trong silicat lớp được xác định bằng cách sử dụng hệ số thực nghiệm k, được hiệu chỉnh theo độ dày, thu được từ mẫu chuẩn pyropagarnet tự nhiên.
Tất cả hình ảnh và phân tích được sử dụng trong nghiên cứu này đều có sẵn trên Hệ thống Lưu trữ và Truyền thông Dữ liệu của JAXA (DARTS) https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2. Bài báo này cung cấp dữ liệu gốc.
Kitari, K. và cộng sự. Thành phần bề mặt của tiểu hành tinh 162173 Ryugu được quan sát bởi thiết bị NIRS3 của tàu Hayabusa2. Science 364, 272–275.
Kim, AJ. Các thiên thạch cacbonat kiểu Yamato (CY): tương tự như bề mặt tiểu hành tinh Ryugu? Địa hóa học 79, 125531 (2019).
Pilorjet, S. và cộng sự. Phân tích thành phần đầu tiên của các mẫu Ryugu được thực hiện bằng kính hiển vi siêu phổ MicroOmega. Thiên văn học Quốc gia. 6, 221–225 (2021).
Yada, T. và cộng sự. Phân tích sơ bộ mẫu Hyabusa2 thu được từ tiểu hành tinh loại C Ryugu. National Astron. 6, 214–220 (2021).