通过X射线分析小行星让我们得以一窥太阳系的过去

想象一下打开一个时间胶囊，希望了解远古时代。但事实并非如此，它不是盒子或箱子，而是一颗小行星，它可以让我们了解地球生命诞生之初的情景。

这就是使用先进光源(ALS)的研究人员面临的情况。由于ALS是美国能源部(DOE)科学办公室的用户设施，在那里工作的团队看到了很多不寻常的东西，从太阳能电池材料到受野火影响的粒子。但即使对于这支队伍来说，来自小行星的样本也是不寻常的。

幸运的是，ALS拥有的创新工具使他们能够支持科学家深入研究这些从太空运送来的岩石的历史。

就像研究地球上的岩石可以告诉我们地球的早期历史一样，研究小行星、陨石和彗星等原始小天体可以告诉我们太阳系的历史。

球粒陨石是一种特别有用的陨石。它们未分化，化学性质原始。其中的岩石可以追溯到早期太阳系中聚集在一起形成巨大母体的尘埃和小颗粒。

某种类型的球粒陨石(称为碳质球粒陨石)保存着相对丰富的易蒸发化学物质，包括碳和水。这些是地球生命的基石。通过研究这些保存下来的物质，科学家可以探究人类的一个基本问题：“我们从哪里来?”

使用ALS的团队检查了碳质小行星龙宫(Ryugu)表面的样本。他们预计这颗小行星与碳质球粒陨石相似。与火星和木星之间主带中的小行星相比，龙宫距离地球相对较近。

科学家推测龙宫是一颗碎石堆小行星。他们认为，它是在某个物体撞击其母体时形成的，然后被抛出的岩石重新聚结成一颗新的小行星。在此过程之后，小行星从主带移至近地轨道。

日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的隼鸟2号航天器于2019年从龙宫表面的两个地点采集了样本，并于2020年将其返回地球。JAXA的管理工作共发现5.4克样本。

该机构将一小部分样本分配给隼鸟2号初步分析小组，该小组由全球约400名科学家组成。广岛大学的薮田光是初步分析小组六个子小组之一的负责人。

小行星粒子的超薄切片被送至美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的ALS。ALS可让科学家精确识别物质内部的元素和分子。它使用粒子加速器产生异常明亮的X射线束。就像医生办公室里的X射线一样，它们可以揭示物体内部的信息。但这些X射线不仅能突出骨骼，还能让科学家探测物质本身的化学和结构特性。

首先，研究小组用X射线仔细扫描了样本的长条水平线(就像书中的文字一样)。通过测量扫描过程中X射线的变化，科学家可以识别小行星样本中的单个有机物质颗粒。这些颗粒非常小，仅比DNA链大100倍。

一旦科学家确定了感兴趣的颗粒，他们就会使用X射线来揭示有机碳颗粒中的化学键类型。在这种情况下，研究人员利用这一过程绘制出样本中的各种元素和功能组(原子的特定排列)。

基于这一分析，科学家发现了四种不同类型的碳化合物以及不同类型的结构。在识别出这些物质后，科学家将它们与他们已经了解历史的类似陨石进行了比较。

将所有这些数据拼凑在一起，他们便可以勾勒出这颗小行星在早期太阳系(大约46亿年前形成)的大致历史。样本中有机碳的化学成分表明，龙宫的有机物质是由该物质的前体在与小行星母体上的液态水发生化学反应时发生变化而形成的。

样品中的碳同位素反映出有机前体来自太空极冷环境(约-200°C)。该团队首次证明了碳质小行星中的有机物质与原始碳质球粒陨石(陨石)中的类似有机物质之间的直接联系。

有一种材料明显缺失——石墨。石墨是铅笔芯中使用的常见碳元素。在小行星中，石墨或类似石墨的物质表明碳是在母体中经过数百万年的放射性加热形成的。石墨或类似石墨的物质的缺失表明从小行星收集的样本从未暴露在390°F(200°C)以上的高温下。

研究龙宫陨石的物质并不是科学家第一次使用ALS近距离观察太空岩石，也可能不是最后一次。研究人员曾使用ALS分析美国宇航局的星尘号航天器在2006年收集的彗星81P/Wild2的尘埃颗粒。

他们发现彗星尘埃中含有有机物质，这些物质由含氮和含氧的化学键以及与小行星龙宫和其他球粒陨石中观察到的有机物质类型相似。

这些研究展示了一些已被证明可用于分析NASAOSIRIS-REx任务样本的工具和技术。该任务收集了小行星Bennu的样本。2023年秋天，它将它们带回地球。该机构最近发布了一份样本目录，供科学家研究。

ALS和其他光源使我们能够绘制从太阳系最早的历史到今天的线条。通过照亮我们当前太阳系中的物体，美国能源部科学办公室的科学家和用户设施有朝一日可能会帮助我们更好地了解地球是如何变得适宜居住的。