Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Κόμπε έδειξε ότι η θερμότητα που παράγεται από την πρόσκρουση ενός μικρού αστρονομικού σώματος θα μπορούσε να επιτρέψει την υδατική αλλοίωση (1) και τον σχηματισμό οργανικών στερεών στην επιφάνεια ενός αστεροειδούς. Αυτό το πέτυχαν πραγματοποιώντας πρώτα πειράματα κρουστικών κρατήρων υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιώντας ένα υλικό στόχο που μοιάζει με αστεροειδή και μετρώντας την κατανομή θερμότητας μετά την πρόσκρουση γύρω από τον κρατήρα που προέκυψε. Από αυτά τα αποτελέσματα, στη συνέχεια καθιέρωσαν έναν εμπειρικό κανόνα για τη μέγιστη θερμοκρασία και τη διάρκεια της θέρμανσης και ανέπτυξαν ένα μοντέλο αγωγιμότητας θερμότητας από αυτό.
Η ερευνητική ομάδα αποτελούνταν από τα ακόλουθα μέλη από το Graduate School of Science του Πανεπιστημίου Kobe. Λέκτορας YASUI Minami, TAZAWA Taku (2ο έτος μεταπτυχιακός φοιτητής την εποχή της έρευνας), HASHIMOTO Ryohei (τότε ήταν τέταρτο έτος προπτυχιακός στη Σχολή Επιστημών) και ο καθηγητής ARAKAWA Masahiko, καθώς και ο Ανώτερος Ερευνητής του Κέντρου Εξερεύνησης Διαστήματος JAXA KagaWAz O. (ο οποίος ήταν τεχνικός ειδικός στο Πανεπιστήμιο του Κόμπε την εποχή της μελέτης).
Αυτά τα αποτελέσματα έχουν επεκτείνει το χωρικό και χρονικό εύρος στο οποίο θα μπορούσαν να προκύψουν οι απαραίτητες συνθήκες για υδατική αλλοίωση και σχηματισμό οργανικών στερεών. Αυτό αναμένεται να αυξήσει σημαντικά τον αριθμό των μελλοντικών αστρονομικών σωμάτων που θα μπορούσαν να έχουν φέρει νερό και την προέλευση της ζωής στη Γη.
Αυτά τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο βρετανικό επιστημονικό περιοδικό Communications Earth and Environment (Nature Publishing Group) στις 18 Μαΐου 2021.
Κύριοι Πόντοι
- Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πορώδες γύψο ως απομίμηση αστεροειδή και εισήγαγαν πολλαπλά θερμοστοιχεία (2) μέσα σε αυτόν. Διεξήγαγαν πειράματα κρούσης υψηλής ταχύτητας σε αυτόν τον στόχο με ταχύτητες πρόσκρουσης 1 km/s και άνω και κατάφεραν να μετρήσουν τις αλλαγές στη διάρκεια της θερμοκρασίας γύρω από τον προκύπτοντα κρατήρα αμέσως μετά την πρόσκρουση.
- Αυτό αποκάλυψε ότι, ανεξάρτητα από την ταχύτητα πρόσκρουσης και το μέγεθος και την πυκνότητα του βλήματος, η μέγιστη θερμοκρασία και η διάρκειά του εξαρτώνται από την αδιάστατη απόσταση (η απόσταση από το σημείο πρόσκρουσης κλιμακούμενη κατά την ακτίνα του κρατήρα).
- Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω αποτελέσματα, οι ερευνητές υπολόγισαν τις χρονικές αλλαγές στην κατανομή της θερμότητας μετά τον σχηματισμό του κρατήρα στην επιφάνεια του αστεροειδούς. Αυτοί οι υπολογισμοί πρότειναν ότι, σε αποστάσεις εντός 2 αστρονομικών μονάδων (3), μπορεί να συμβεί υδατική αλλοίωση εάν ο κρατήρας έχει ακτίνα άνω των 20km και ο οργανικός σχηματισμός στερεού μπορεί να υποστηριχθεί από κρατήρες άνω του 1km.
- Αυτά τα ευρήματα θα επιτρέψουν σε έναν αυξημένο αριθμό αστρονομικών σωμάτων να θεωρηθούν ως υποψήφιοι για την πηγή του νερού και των οργανικών ουσιών που είναι απαραίτητες για την έναρξη της ζωής στη Γη.
Ιστορικό έρευνας
Πιστεύεται ότι το νερό και οι οργανικές ουσίες που είναι απαραίτητες για να ξεκινήσει η ζωή στη Γη ήταν το αποτέλεσμα ενός κομήτη ή αστεροειδούς που πρόσκρουσε τον πλανήτη. Ορυκτά και οργανικές ουσίες που έχουν υποστεί υδατική αλλοίωση έχουν ανακαλυφθεί σε μετεωρίτες (από τους οποίους προέρχονται οι αστεροειδείς), αποδεικνύοντας ότι κάποτε περιείχαν νερό. Ωστόσο, μια πηγή θερμότητας είναι απαραίτητη για τις χημικές αντιδράσεις που προκαλούν υδατική αλλοίωση και σχηματισμό οργανικών στερεών μέσα στους αστεροειδείς.
Μία επαρκώς ισχυρή πηγή θερμότητας είναι η θέρμανση με ραδιενεργό διάσπαση του 26Al (αλουμίνιο, 5), ενός βραχύβιου ραδιενεργού νουκλεϊδίου που βρίσκεται μέσα σε βράχους. Ωστόσο, λέγεται ότι η ραδιενεργή θέρμανση που προκάλεσε υδατική αλλοίωση και σχηματισμό στερεών σε γονικά σώματα αστεροειδών (4) θα μπορούσε να είχε συμβεί μόνο στην αρχή της ιστορίας του ηλιακού συστήματος λόγω του μικρού χρόνου ημιζωής του 26 Al (720.000 χρόνια).
Τα τελευταία χρόνια, η θεωρία ότι η θερμότητα πρόσκρουσης που δημιουργείται όταν ένα μικρό αστρονομικό σώμα χτυπά έναν αστεροειδή θα μπορούσε επίσης να είναι μια βιώσιμη πηγή θερμότητας έχει αρχίσει να κερδίζει την προσοχή. Ωστόσο, δεν είναι γνωστό πόση θερμότητα παράγεται ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του αστρονομικού σώματος (μέγεθος, πυκνότητα, ταχύτητα κρούσης) και πόσο μακριά μέσα στον αστεροειδή μεταδίδεται αυτή η παραγόμενη θερμότητα. Μέχρι τώρα, δεν έχουν υπάρξει μελέτες που να έχουν διερευνήσει πειραματικά αυτή τη διαδικασία παραγωγής και διάδοσης θερμότητας για να καθορίσουν εάν θα ήταν δυνατή η υδατική αλλοίωση και ο σχηματισμός οργανικών ουσιών.
Μεθοδολογία Έρευνας
Αυτή η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε εργαστηριακά πειράματα για να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ της θερμότητας πρόσκρουσης που παράγεται σε έναν αστεροειδή (ως αποτέλεσμα της πρόσκρουσης ενός μικρού αστρονομικού σώματος) και των χαρακτηριστικών της πρόσκρουσης. Για τον στόχο, χρησιμοποίησαν γύψο (ένα πορώδες ορυκτό που αποτελείται από διένυδρο θειικό ασβέστιο) για να μιμηθούν έναν αστεροειδή. Επιτάχυναν βλήματα στον στόχο με υψηλές ταχύτητες κρούσης μεταξύ 1km/s και 5km/s χρησιμοποιώντας το οριζόντιο όπλο αερίου δύο σταδίων του Πανεπιστημίου Kobe. Στον στόχο γύψου τοποθετήθηκαν πολλαπλά θερμοστοιχεία προκειμένου να μετρηθούν οι αλλαγές θερμοκρασίας μετά την κρούση. Σε αυτή τη σειρά πειραμάτων, οι ερευνητές άλλαξαν το μέγεθος, την πυκνότητα, την ταχύτητα πρόσκρουσης των βλημάτων και τις θέσεις των θερμοζευγών προκειμένου να διερευνήσουν τις διαφορές στη διάρκεια της θερμότητας ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της κρούσης.
Από το γράφημα της διάρκειας θερμότητας, η ερευνητική ομάδα ερεύνησε τη μέγιστη θερμοκρασία και τη διάρκειά της και εξέτασε πώς αυτή σχετίζεται με τα χαρακτηριστικά πρόσκρουσης. Χρησιμοποιώντας την αδιάστατη απόσταση που λαμβάνεται με την ομαλοποίηση της απόστασης από το σημείο πρόσκρουσης (όπου το βλήμα χτύπησε τον στόχο) κατά την ακτίνα του κρατήρα, προσδιόρισαν με επιτυχία πώς η μέγιστη θερμοκρασία και η διάρκειά της αλλάζουν από τα χαρακτηριστικά κρούσης και κατέληξαν σε έναν κανόνα- αντίχειρα για αυτό.
Κατασκευάζοντας στη συνέχεια ένα μοντέλο αγωγιμότητας θερμότητας που ενσωματώνει αυτόν τον εμπειρικό κανόνα, τους επέτρεψε να υπολογίσουν την κατανομή θερμότητας γύρω από τον κρατήρα που σχηματίστηκε στην επιφάνεια του αστεροειδούς. Η ερευνητική ομάδα έλεγξε τα αριθμητικά αποτελέσματα από το μοντέλο αγωγιμότητας θερμότητας σε σχέση με δεδομένα σχετικά με την απαιτούμενη θερμότητα και διάρκεια για την υδατική αλλοίωση και τον σχηματισμό οργανικών στερεών που ελήφθησαν από προηγούμενες αναλύσεις μετεωριτών.
Αυτά τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υδατική αλλοίωση θα μπορούσε να συμβεί εάν ένας κρατήρας με ακτίνα άνω των 20km σχηματιζόταν σε απόσταση 2au από τον Ήλιο. Επιπλέον, υπολόγισαν ότι ακόμη και ένας μικρός κρατήρας με ακτίνα 100 μέτρων σε έναν αστεροειδή εντός 4au θα μπορούσε να θερμανθεί έως και 100°C, που σημαίνει ότι θα μπορούσε να υποστηρίξει οργανικό σχηματισμό στερεών. Οι περισσότεροι αστεροειδείς βρίσκονται εντός 4au. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι εάν σχηματιστεί κρατήρας με ακτίνα πάνω από 1 km μέσα σε 2au, η περιφέρεια του κρατήρα μπορεί να θερμανθεί έως και 0°C (η θερμοκρασία στην οποία ο πάγος γίνεται νερό), επιτρέποντας έτσι τον σχηματισμό οργανικών στερεών.
Περαιτέρω εξελίξεις
Πιστεύεται ότι η θέρμανση με ραδιενεργό διάσπαση του 26Al πυροδοτεί τις χημικές αντιδράσεις για υδατική αλλοίωση και σχηματισμό οργανικών στερεών σε αστεροειδείς. Ωστόσο, αυτή η θέρμανση μπορεί να συμβεί μόνο κοντά στον πυρήνα των συγκριτικά μεγάλων αστεροειδών που έχουν διάμετρο δεκάδων χιλιομέτρων. Επιπλέον, λέγεται ότι αυτό θα μπορούσε να συμβεί μόνο μέσα σε ένα εκατομμύριο χρόνια μετά το σχηματισμό του Ήλιου λόγω του μικρού χρόνου ημιζωής του 26Al. Από την άλλη πλευρά, συγκρούσεις μεταξύ αστεροειδών εξακολουθούν να συμβαίνουν σήμερα και είναι πιθανό τέτοιες συγκρούσεις να θερμαίνουν την επιφάνεια ακόμη και μικρών αστεροειδών, με την προϋπόθεση ότι η πρόσκρουση δεν καταστρέφει τον ίδιο τον αστεροειδή. Με άλλα λόγια, αυτά τα ερευνητικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η δυνατότητα για αστεροειδείς να υποστηρίξουν την υδατική αλλοίωση και τον σχηματισμό οργανικών στερεών είναι προσωρινά και χωρικά πολύ μεγαλύτερη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Αυτό θα συμβάλει στο να θεωρούνται ένας αυξημένος αριθμός αστρολογικών σωμάτων ως υποψήφιοι που έφεραν το νερό και τις οργανικές ουσίες για την αρχή της ζωής στη Γη.
Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα ελπίζει να εξετάσει δείγματα που επιστράφηκαν από αποστολές εξερεύνησης αστεροειδών που πραγματοποιήθηκαν όχι μόνο από την Ιαπωνία αλλά και από άλλες χώρες. Εάν ανακαλυφθούν υδατικά αλλοιωμένα ορυκτά ή οργανικές ουσίες στα δείγματα που συλλέχθηκαν, αυτό θα μπορούσε να αποδείξει τις επιπτώσεις της θέρμανσης.
Γλωσσάρι
1. Υδατική αλλοίωση: Αναφέρεται όταν τα ορυκτά μέσα σε ένα βράχο αλλάζουν ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης μεταξύ του πετρώματος και του νερού.
2. Θερμοστοιχείο: Ένας αισθητήρας θερμότητας που αποτελείται από δύο ράβδους, η καθεμία από διαφορετικά μέταλλα.
3. Αστρονομικές μονάδες (au): Η απόσταση από το κέντρο του Ήλιου. Μία αστρονομική μονάδα είναι η απόσταση από το κέντρο του Ήλιου στη Γη (περίπου 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα).
4. Γονικά σώματα αστεροειδών: Αστρονομικά σώματα από τα οποία προέρχονται οι σημερινοί αστεροειδείς. Θεωρείται ότι οι αστεροειδείς είναι θραύσματα που παραμένουν μετά την καταστροφή του μητρικού σώματος από πρόσκρουση ή είναι μια συσσώρευση θραυσμάτων που συσσωρεύονται εκ νέου από τη βαρύτητα.
5. Θέρμανση ραδιενεργού αποσύνθεσης 26AI (ένα βραχύβιο ραδιενεργό νουκλίδιο):
Ένα νουκλίδιο είναι ένα ξεχωριστό είδος πυρήνα που χαρακτηρίζεται από έναν συγκεκριμένο αριθμό πρωτονίων ή νετρονίων. Μεταξύ αυτών, τα νουκλεΐδια που είναι ενεργειακά ασταθή εκπέμπουν ακτινοβολία που τα κάνει να γίνουν ένα διαφορετικό είδος νουκλεϊδίου που ονομάζεται ραδιονουκλίδιο. Η διαδικασία με την οποία αυτά τα νουκλίδια εκπέμπουν ακτινοβολία και τελικά αλλάζουν τύπο ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, εκπέμπεται επίσης ενέργεια, δημιουργώντας θερμότητα. Όταν το 26Al διασπάται γίνεται 26Mg (μαγνήσιο), αλλά ο χρόνος που χρειάζεται για τον μισό από τους ατομικούς πυρήνες στο 26Το Al μέχρι την αποσύνθεση (δηλαδή ο χρόνος ημιζωής) είναι σχετικά σύντομα 720.000 χρόνια.
6. Χρόνος θερμικής διάχυσης:
Ο εκτιμώμενος χρόνος που απαιτείται για τη διασπορά της θερμότητας από την πηγή θερμότητας. Σε αυτή τη μελέτη αυτό υπολογίστηκε ως (ακτίνα κρατήρα)2 / (συντελεστής θερμικής διάχυσης). Ο συντελεστής θερμικής διάχυσης είναι η χαρακτηριστική τιμή της ύλης.
Ευχαριστίες
Ένα μέρος αυτών των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Hypervelocity Impact Facility στο Ινστιτούτο Διαστημικής και Αστροναυτικής Επιστήμης της JAXA (ISAS). Επιπλέον, αυτή η έρευνα έλαβε χρηματοδότηση από τα ακόλουθα: μια βασική επιχορήγηση επιστημονικής έρευνας από το The Sumitomo Foundation (θέμα έρευνας: «Μετρήσεις της θερμοκρασίας μετά το σοκ μετά τον σχηματισμό κρατήρα πρόσκρουσης: Επιπτώσεις για τη θερμική εξέλιξη των αστεροειδών», Αρχικός ερευνητής: Yasui Minami), και η JSPS KAKENHI χορηγεί JP16K17794 (Κύριος Ερευνητής: Yasui Minami), JP16H04041 και JP19H00719 (Κύριος Ερευνητής: Arakawa Masahiko).
