Els investigadors utilitzen feixos de muons per analitzar la composició elemental de les mostres de l’asteroide Ryugu


Els investigadors han utilitzat feixos de muons per analitzar la composició elemental de les mostres de l'asteroide Ryugu

(esquerra) Una radiografia muònica creada després que un muó sigui capturat per un material irradiat, i (dreta) una mostra de l’asteroide Ryugu. Crèdit: (imatge esquerra) Equip d’anàlisi de muons, (imatge dreta) JAXA

Les mostres de pedra portades a la Terra des de l’asteroide Ryugu s’han analitzat la seva composició elemental mitjançant un feix de muons generat artificialment des de l’accelerador de partícules a J-PARC. Els investigadors van trobar una sèrie d’elements importants necessaris per mantenir la vida, inclosos el carboni, el nitrogen i l’oxigen, però també van trobar que l’abundància d’oxigen relativa al silici a l’asteroide Ryugu era diferent de tots els meteorits que s’han trobat a la Terra, informa un nou estudi a Ciència.

El 2014, l’explorador d’asteroides no tripulat Hayabusa 2 va ser llançat a l’espai per l’Agència d’Exploració Aeroespacial del Japó (JAXA) amb la missió de recuperar mostres de l’asteroide Ryugu, un asteroide tipus C que els investigadors creien que era ric en carboni. Després d’aterrar amb èxit a Ryugu i recollir mostres, Hayabusa 2 va tornar a la Terra el desembre de 2020 amb les mostres intactes.

Des del 2021, els investigadors han realitzat les primeres anàlisis de les mostres, dirigides pel professor Shogo Tachibana de la Universitat de Tòquio. Dividits en diversos equips, els investigadors han estat estudiant les mostres de diferents maneres, incloses les formes de pedra, la distribució elemental i la composició mineral.

En aquest estudi, dirigit pel professor de la Universitat de Tohoku Tomoki Nakamura, el professor Tadayuki Takahashi i l’estudiant de postgrau Shunsaku Nagasawa de l’Institut Kavli per a la Física i les Matemàtiques de l’Univers (Kavli IPMU), Universitat de Tòquio, en col·laboració amb l’Organització de Recerca de l’Accelerador d’Energia Alta (KEK) Institut de Ciència de l’Estructura dels Materials, Universitat d’Osaka, Agència d’Energia Atòmica del Japó (JAEA), Universitat de Kyoto, Universitat Cristiana Internacional, Institut de Ciències Espacials i Astronàutiques (ISAS) i la Universitat de Tohoku, han aplicat mètodes d’anàlisi elemental utilitzant muons negatius, partícules elementals produït per l’accelerador de J-PARC.

Van aplicar el mètode d’anàlisi elemental utilitzant muons negatius a les pedres de l’asteroide Ryugu, aconseguint determinar de manera no destructiva les seves composicions elementals.

Els investigadors han utilitzat feixos de muons per analitzar la composició elemental de les mostres de l'asteroide Ryugu

La configuració de l’experiment feta a mida es va desenvolupar per evitar que les mostres es contaminin per l’atmosfera terrestre. L’interior està ple de gas heli i la cambra està folrada amb coure pur per minimitzar el soroll de fons. Crèdit: equip d’anàlisi de muons

Això era important, perquè si els asteroides del sistema solar es construïssin al començament de la formació del propi sistema solar, llavors encara estarien retenant informació sobre la mitjana. composició elemental en aquell moment, i per tant de tot el sistema solar.

Anàlisi dels meteorits que han caigut a la Terra s’han fet en el passat, però és possible que aquestes mostres hagin estat contaminades per l’atmosfera terrestre. Així, fins a Hayabusa 2, ningú sabia quina era la composició química d’un asteroide amb certesa.

Però els investigadors es van enfrontar a un repte. A causa de la quantitat limitada de mostres i del gran nombre d’altres investigadors que volien estudiar-les, van necessitar trobar una manera d’executar les seves anàlisis sense danyar-les perquè les mostres es poguessin passar a altres grups.

L’equip havia desenvolupat un nou mètode, que implicava disparar un feix quàntic, o específicament un feix de muons negatius, produït per un dels acceleradors de partícules d’alta energia més grans del món J-PARC a la prefectura d’Ibaraki, Japó, per identificar els elements químics de mostres sensibles sense trencar-les.

Els investigadors han utilitzat feixos de muons per analitzar la composició elemental de les mostres de l'asteroide Ryugu

Comparació espectral de raigs X muònics de la mostra de l’asteroide Ryugu i la condrita CI Orgueil. Crèdit: equip d’anàlisi de muons

Després, Takahashi i Nagasawa van aplicar tècniques d’anàlisi estadística en experiments d’astronomia de raigs X i de física de partícules per analitzar els raigs X característics dels muons.

Els muons són una de les partícules elementals de l’univers. La seva capacitat de penetrar més profundament en els materials que els raigs X els fa ideals en l’anàlisi de materials. Quan un muó negatiu és capturat per la mostra irradiada, es forma un àtom muònic. Els raigs X muònics emesos pels nous àtoms muònics tenen una gran energia i, per tant, es poden detectar amb una alta sensibilitat. Aquest mètode es va utilitzar per analitzar les mostres de Ryugu.

Però hi havia un altre repte. Per evitar que les mostres fossin contaminades per l’atmosfera terrestre, els investigadors havien de mantenir les mostres fora de contacte amb l’oxigen i l’aigua de l’aire. Per tant, van haver de desenvolupar una configuració experimental, encaixant la mostra en una cambra de gas heli. Les parets interiors de la cambra es van revestir amb coure pur per minimitzar el soroll de fons en analitzar les mostres.

El juny de 2021, es van introduir 0,1 grams d’asteroide Ryugu a J-PARC i els investigadors van realitzar la seva anàlisi de raigs X de muons, que va produir un espectre d’energia. En ell, van trobar els elements necessaris per produir vida, carboni, nitrogen i oxigen, però també van trobar que la mostra tenia una composició similar a la dels asteroides de condrita carbonosa (condrita CI), que sovint es coneix com l’estàndard de substàncies sòlides. al sistema solar. Això va demostrar que les pedres Ryugu eren algunes de les pedres més primerenques que es van formar al nostre sistema solar.

Els investigadors han utilitzat feixos de muons per analitzar la composició elemental de les mostres de l'asteroide Ryugu

Comparació de la composició elemental de la mostra de l’asteroide Ryugu i la condrita CI Orgueil (K. Lodders, The Astrophysical Journal, 591, 1220-1247, 2003). La radiografia d’oxigen mostra que l’abundància d’oxigen de la mostra de Ryugu en relació amb el silici era menor en comparació amb la condrita CI. Crèdit: equip d’anàlisi de muons

Tanmateix, tot i que la composició és similar a les condrites CI, l’abundància d’oxigen de la mostra de Ryugu en relació amb el silici va ser aproximadament un 25 per cent menys que la de la condrita CI. Els investigadors diuen que això podria indicar que l’excés d’abundància d’oxigen en relació amb el silici a les condrites CI podria haver vingut de la contaminació després d’entrar a l’atmosfera terrestre. Les pedres Ryugu podrien establir un nou estàndard per a la matèria del sistema solar.


Grans de pols de l’asteroide Ryugu més antics que el nostre sistema solar


Més informació:
T. Nakamura, Formació i evolució de l’asteroide carboni Ryugu: evidència directa de mostres retornades, Ciència (2022). DOI: 10.1126/science.abn8671. www.science.org/doi/10.1126/science.abn8671

Proporcionat per l’Institut Kavli per a la Física i les Matemàtiques de l’Univers

Citació: Els investigadors utilitzen feixos de muons per analitzar la composició elemental de les mostres de l’asteroide Ryugu (2022, 22 de setembre) recuperades el 22 de setembre de 2022 a https://phys.org/news/2022-09-muons-elemental-composition-asteroid-ryugu. html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudi o investigació privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.