Los científicos han utilizado haces de muones para analizar la composición elemental de las muestras del asteroide Ryugu
Se ha analizado la composición elemental de muestras de piedra traídas a la Tierra desde el asteroide Ryugu utilizando un haz de muones generado artificialmente por el acelerador de partículas J-PARC. Los investigadores descubrieron una serie de elementos importantes necesarios para sustentar la vida, incluidos el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, pero también descubrieron que la abundancia de oxígeno en relación con el silicio en el asteroide Ryugu era diferente a cualquier meteorito encontrado en la Tierra, informa un nuevo estudio en Science. .
En 2014, el explorador de asteroides no tripulado Hayabusa 2 fue lanzado al espacio por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) con la misión de recuperar muestras del asteroide Ryugu, un asteroide de tipo C que los investigadores creían que era rico en carbono. Después de aterrizar con éxito en Ryugu y recolectar muestras, Hayabusa 2 regresó a la Tierra en diciembre de 2020 con muestras intactas.
Desde 2021, los investigadores han llevado a cabo los primeros análisis de las muestras, dirigidos por el profesor Shogo Tachibana de la Universidad de Tokio. Divididos en varios equipos, los investigadores estudiaron las muestras de diferentes maneras, incluidas las formas de las piedras, la distribución elemental y la composición mineral.
En este estudio, dirigido por el profesor de la Universidad de Tohoku Tomoki Nakamura, el profesor Tadayuki Takahashi y el estudiante graduado Shunsaku Nagasawa del Instituto Kavli para la Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Universidad de Tokio, en colaboración con la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK) Instituto de Ciencias de la Estructura de Materiales, Universidad de Osaka, Agencia de Energía Atómica de Japón (JAEA), Universidad de Kyoto, Universidad Cristiana Internacional, Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) y Universidad de Tohoku, aplicaron métodos de análisis elemental utilizando muones negativos, partículas elementales producido por el acelerador J-PARC. Aplicaron el método de análisis elemental utilizando muones negativos a las piedras del asteroide Ryugu, determinando con éxito sus composiciones elementales de forma no destructiva.
Esto era importante, porque si los asteroides en el sistema solar se construyeron temprano en la formación del propio sistema solar, aún retendrían información sobre la composición elemental promedio en ese momento y, por lo tanto, sobre todo el sistema solar.
En el pasado se han realizado análisis de meteoritos que han caído a la Tierra, pero es posible que estas muestras hayan sido contaminadas por la atmósfera terrestre. Así, hasta Hayabusa 2, nadie sabía con certeza cuál era la composición química de un asteroide.
Pero los investigadores aceptaron un desafío. Debido a la cantidad limitada de muestras y la gran cantidad de otros investigadores que deseaban estudiarlas, tuvieron que encontrar una manera de realizar sus análisis sin dañarlas para que las muestras pudieran pasar a otros grupos.
El equipo había desarrollado un nuevo método, que consistía en disparar un haz cuántico, o más específicamente un haz de muones negativos, producido por uno de los aceleradores de partículas de alta energía más grandes del mundo, J-PARC, en la prefectura de Ibaraki, Japón, para identificar elementos químicos. en muestras sensibles sin romperlas.
Luego, Takahashi y Nagasawa aplicaron técnicas de análisis estadístico en experimentos de astronomía de rayos X y física de partículas para analizar los rayos X característicos de los muones.
Los muones son una de las partículas elementales del universo. Su capacidad para penetrar más profundamente en los materiales que los rayos X los hace ideales para el análisis de materiales. Cuando la muestra irradiada captura un muón negativo, se forma un átomo muónico (Figura 1). Los rayos X muónicos emitidos por nuevos átomos muónicos tienen alta energía y, por lo tanto, pueden detectarse con alta sensibilidad. Este método se utilizó para analizar las muestras de Ryugu.
Pero había otro desafío. Para evitar que las muestras se contaminaran con la atmósfera terrestre, los investigadores tuvieron que mantener las muestras fuera del contacto con el oxígeno y el agua del aire. Por lo tanto, tuvieron que desarrollar una configuración experimental, encerrando la muestra en una cámara de gas helio (Figura 2). Las paredes interiores de la cámara se recubrieron con cobre puro para minimizar el ruido de fondo durante el análisis de la muestra.
En junio de 2021, se introdujeron 0,1 gramos del asteroide Ryugu en J-PARC y los investigadores realizaron su análisis de rayos X de los muones, que produjo un espectro de energía (Figura 3). Encontraron allí los elementos necesarios para la producción de vida, carbono, nitrógeno y oxígeno, pero también descubrieron que la muestra tenía una composición similar a la de los asteroides de condrita carbonácea (condrita CI), a menudo llamada el estándar para sustancias sólidas. en el sistema solar. Esto mostró que las Piedras Ryugu estaban entre las primeras piedras que se formaron en nuestro sistema solar.
Sin embargo, aunque similar en composición a las condritas CI, la abundancia de oxígeno de la muestra de Ryugu en relación con el silicio fue aproximadamente un 25 % más baja que la de las condritas CI (Figura 4). Los investigadores dicen que esto podría indicar que el exceso de oxígeno en relación con el silicio en las condritas CI podría provenir de la contaminación después de que ingresaron a la atmósfera terrestre. Las piedras Ryugu podrían establecer un nuevo estándar para la materia en el sistema solar.
Los resultados del equipo muestran el éxito del método de rayos X de muones y que se puede utilizar para analizar muestras de futuras misiones espaciales.
Los detalles de este estudio se publicaron en Science el 22 de septiembre.
