Πιστωτική εικόνα: WUSTL
Η Ann Nguyen επέλεξε ένα επικίνδυνο έργο για τις μεταπτυχιακές της σπουδές στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο St. Louis. Μια πανεπιστημιακή ομάδα είχε ήδη κοσκινίσει 100.000 κόκκους από έναν μετεωρίτη για να αναζητήσει ένα συγκεκριμένο είδος αστρόσκονης; χωρίς επιτυχία.
Το 2000, ο Nguyen αποφάσισε να δοκιμάσει ξανά. Περίπου 59.000 κόκκοι αργότερα, η κακή απόφαση της απέδωσε. Στο τεύχος της Επιστήμης της 5ης Μαρτίου, η Nguyen και ο σύμβουλός της, Ernst K. Zinner, Ph.D., ερευνητής καθηγητής φυσικής και γήινων και πλανητικών επιστημών, και οι δύο στις Τέχνες και τις Επιστήμες, περιγράφουν εννέα κηλίδες πυριτικής ασπίδας; προπολικοί πυριτικοί κόκκοι; από έναν από τους πιο πρωτόγονους μετεωρίτες που είναι γνωστοί.
«Η εύρεση προπολικών πυριτικών σε έναν μετεωρίτη μας λέει ότι το ηλιακό σύστημα σχηματίστηκε από αέριο και σκόνη, μερικά από τα οποία ποτέ δεν θερμάνθηκαν πολύ, παρά από ένα ζεστό ηλιακό νεφέλωμα», λέει ο Zinner. «Η ανάλυση τέτοιων κόκκων παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις αστρικές πηγές τους, τις πυρηνικές διεργασίες στα αστέρια και τις φυσικές και χημικές συνθέσεις των αστρικών ατμοσφαιρών».
Το 1987, ο Zinner και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και μια ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο βρήκαν την πρώτη αστυνομία σε έναν μετεωρίτη. Αυτοί οι πρόδρομοι κόκκοι ήταν στίγματα διαμαντιών και καρβιδίου του πυριτίου. Αν και άλλοι τύποι από τότε έχουν ανακαλυφθεί σε μετεωρίτες, κανένας δεν φτιάχτηκε από πυριτικό άλας, μια ένωση πυριτίου, οξυγόνου και άλλων στοιχείων όπως το μαγνήσιο και ο σίδηρος.
«Αυτό ήταν αρκετά μυστήριο επειδή γνωρίζουμε, από τα αστρονομικά φάσματα, ότι οι πυριτικοί κόκκοι φαίνεται να είναι ο πιο άφθονος τύπος πλούσιου σε οξυγόνο κόκκων που παράγονται σε αστέρια», λέει ο Nguyen. «Αλλά μέχρι τώρα, οι προπολικοί πυριτικοί κόκκοι έχουν απομονωθεί μόνο από δείγματα διαπλανητικών σωματιδίων σκόνης από κομήτες».
Το ηλιακό μας σύστημα σχηματίστηκε από ένα σύννεφο αερίου και σκόνης που εκτοξεύτηκε στο διάστημα με έκρηξη κόκκινων γίγαντων και σουπερνόβων. Μερικές από αυτές τις σκόνες σχηματίστηκαν αστεροειδείς και οι μετεωρίτες είναι θραύσματα που αφαιρούνται από αστεροειδείς. Τα περισσότερα από τα σωματίδια στους μετεωρίτες μοιάζουν μεταξύ τους επειδή η σκόνη από διαφορετικά αστέρια ομογενοποιήθηκε στην κόλαση που διαμόρφωσε το ηλιακό σύστημα. Ωστόσο, καθαρά δείγματα μερικών αστεριών παγιδεύτηκαν βαθιά μέσα σε μερικούς μετεωρίτες. Αυτοί οι κόκκοι που είναι πλούσιοι σε οξυγόνο μπορούν να αναγνωριστούν από τις ασυνήθιστες αναλογίες ισοτόπων οξυγόνου.
Ο Nguyen, μεταπτυχιακός φοιτητής στη γη και τις πλανητικές επιστήμες, ανέλυσε περίπου 59.000 κόκκους από το Acfer 094, έναν μετεωρίτη που βρέθηκε στη Σαχάρα το 1990. Διαχώρισε τους κόκκους στο νερό αντί με σκληρές χημικές ουσίες, οι οποίες μπορούν να καταστρέψουν τα πυριτικά άλατα. Χρησιμοποίησε επίσης έναν νέο τύπο ανιχνευτή ιόντων που ονομάζεται NanoSIMS (δευτερεύον φασματόμετρο μάζας ιόντων), ο οποίος μπορεί να επιλύσει αντικείμενα μικρότερα από ένα μικρόμετρο (ένα εκατοστό του μέτρου).
Ο Zinner και ο Frank Stadermann, Ph.D., ανώτερος ερευνητής στο Εργαστήριο Επιστημών του Διαστήματος στο πανεπιστήμιο, βοήθησαν στο σχεδιασμό και τη δοκιμή του NanoSIMS, το οποίο κατασκευάζεται από την CAMECA στο Παρίσι. Με κόστος 2 εκατομμυρίων δολαρίων, το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον απέκτησε το πρώτο όργανο στον κόσμο το 2001.
Οι ιόντες ιόντων κατευθύνουν μια δέσμη ιόντων σε ένα σημείο ενός δείγματος. Η δέσμη αποσυνδέει μερικά από τα άτομα του δείγματος, μερικά από τα οποία ιονίζονται. Αυτή η δευτερεύουσα δέσμη ιόντων εισέρχεται σε ένα φασματόμετρο μάζας που έχει ρυθμιστεί να ανιχνεύει ένα συγκεκριμένο ισότοπο. Έτσι, οι ιχνηθέτες ιόντων μπορούν να αναγνωρίσουν κόκκους που έχουν ασυνήθιστα υψηλή ή χαμηλή αναλογία αυτού του ισότοπου.
Σε αντίθεση με άλλους ιόντες ανιχνευτές, ωστόσο, το NanoSIMS μπορεί να ανιχνεύσει ταυτόχρονα πέντε διαφορετικά ισότοπα. Η δέσμη μπορεί επίσης να ταξιδεύει αυτόματα από σημείο σε σημείο, έτσι ώστε πολλές εκατοντάδες ή χιλιάδες κόκκοι να μπορούν να αναλυθούν σε μία πειραματική εγκατάσταση. «Το NanoSIMS ήταν απαραίτητο για αυτήν την ανακάλυψη», λέει ο Zinner. «Αυτοί οι προπολικοί πυριτικοί κόκκοι είναι πολύ μικροί; μόνο ένα κλάσμα ενός μικρομέτρου. Η υψηλή χωρική ανάλυση και η υψηλή ευαισθησία του οργάνου κατέστησαν δυνατές αυτές τις μετρήσεις. "
Χρησιμοποιώντας μια κύρια δέσμη ιόντων καισίου, ο Nguyen μέτρησε επίμονα τις ποσότητες τριών ισοτόπων οξυγόνου; 16O, 17O και 18O; σε κάθε έναν από τους πολλούς κόκκους που μελέτησε. Εννέα κόκκοι, με διάμετρο από 0,1 έως 0,5 μικρόμετρα, είχαν ασυνήθιστες αναλογίες ισοτόπων οξυγόνου και ήταν πολύ εμπλουτισμένα σε πυρίτιο. Αυτοί οι προπολικοί πυριτικοί κόκκοι έπεσαν σε τέσσερις ομάδες. Πέντε κόκκοι εμπλουτίστηκαν το 17ο και ελαφρώς εξαντλήθηκαν το 18ο, υποδηλώνοντας ότι η βαθιά ανάμιξη σε κόκκινα ή ασυμπτωτικά γιγαντιαία αστέρια κλάδων ήταν υπεύθυνη για τις ισοτοπικές τους συνθέσεις οξυγόνου.
Ένας κόκκος εξαντλήθηκε πολύ το 18ο και ως εκ τούτου πιθανότατα παρήχθη σε αστέρι χαμηλής μάζας όταν το επιφανειακό υλικό κατέβηκε σε περιοχές αρκετά ζεστές για να υποστηρίξει πυρηνικές αντιδράσεις. Ένα άλλο εμπλουτίστηκε στο 16O, το οποίο είναι χαρακτηριστικό των κόκκων από αστέρια που περιέχουν λιγότερα στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο από ό, τι ο ήλιος μας. Οι δύο τελευταίοι κόκκοι εμπλουτίστηκαν τόσο στους 17O όσο και στους 18O και έτσι θα μπορούσαν να προέρχονται από σουπερνόβα ή αστέρια που είναι πιο εμπλουτισμένα σε στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο σε σύγκριση με τον ήλιο μας.
Λαμβάνοντας ενεργειακά διασκορπιστικά φάσματα ακτίνων Χ, ο Nguyen καθόρισε την πιθανή χημική σύνθεση έξι από τους προπολικούς κόκκους. Φαίνεται ότι υπάρχουν δύο ελιές και δύο πυροξένες, τα οποία περιέχουν κυρίως οξυγόνο, μαγνήσιο, σίδηρο και πυρίτιο, αλλά σε διαφορετικές αναλογίες. Το πέμπτο είναι ένα πυριτικό πλούσιο σε αλουμίνιο και το έκτο είναι εμπλουτισμένο με οξυγόνο και σίδηρο και θα μπορούσε να είναι γυαλί με ενσωματωμένο μέταλλο και θειούχα.
Η υπεροχή των σπόρων πλούσιων σε σίδηρο είναι εκπληκτική, λέει ο Nguyen, επειδή τα αστρονομικά φάσματα έχουν εντοπίσει περισσότερους κόκκους πλούσιους σε μαγνήσιο από τους σπόρους πλούσιους σε σίδηρο στην ατμόσφαιρα γύρω από τα αστέρια. «Θα μπορούσε να είναι ότι ο σίδηρος ενσωματώθηκε σε αυτούς τους κόκκους όταν σχηματίστηκε το ηλιακό σύστημα», εξηγεί.
Αυτές οι αναλυτικές πληροφορίες σχετικά με τη αστυνομία αποδεικνύουν ότι η διαστημική επιστήμη μπορεί να γίνει στο εργαστήριο, λέει ο Zinner. «Η ανάλυση αυτών των μικρών σημείων μπορεί να μας δώσει πληροφορίες, όπως λεπτομερείς ισοτοπικές αναλογίες, που δεν μπορούν να ληφθούν με τις παραδοσιακές τεχνικές της αστρονομίας», προσθέτει.
Ο Nguyen σχεδιάζει τώρα να εξετάσει τις αναλογίες ισοτόπων πυριτίου και μαγνησίου στους εννέα κόκκους. Θέλει επίσης να αναλύσει άλλους τύπους μετεωριτών. «Το Acfer 094 είναι ένας από τους πιο πρωτόγονους μετεωρίτες που έχει βρεθεί», λέει. «Θα περιμέναμε λοιπόν να έχει τη μεγαλύτερη αφθονία των προπολικών σπόρων. Κοιτάζοντας μετεωρίτες που έχουν υποστεί περισσότερη επεξεργασία, μπορούμε να μάθουμε περισσότερα για τα γεγονότα που μπορούν να καταστρέψουν αυτούς τους κόκκους. "
Αρχική πηγή: Δελτίο ειδήσεων WUSTL
