Eine Geschichte milder Erschütterungen, denen die Regolithpartikel auf dem hydratisierten Asteroiden Ryugu ausgesetzt waren

Sep 26, 2023

Nature Astronomy (2023)Diesen Artikel zitieren

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Es wird angenommen, dass Mikrometeoriten, eine mögliche Hauptquelle für das Wasser der Erde, durch die explosionsartige Ausbreitung hydratisierter chondritischer Materialien bei Einschlägen auf ihre Ausgangsasteroiden entstehen. Dieser Herkunfts- und Entstehungsmechanismus muss jedoch noch anhand von Asteroidenrücksendungen direkt bestätigt werden. Hier berichten wir über Hinweise auf eine leichte Schockmetamorphose in den Oberflächenpartikeln des Asteroiden Ryugu, basierend auf Elektronenmikroskopie. Bei allen Partikeln dominieren Phyllosilikate, aber es fehlen Dehydrierungstexturen, die auf Schockerhitzungstemperaturen unter ~500 °C hinweisen. Es wurden mikrofehlerartige Texturen identifiziert, die mit stark stoßverformten framboiden Magnetiten und einer Hochdruckpolymorphie von Fe-Cr-Sulfid verbunden sind. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der durchschnittliche Spitzendruck etwa 2 GPa betrug. Die überwiegende Mehrheit der beim Einschlag auf Ryugu-ähnlichen Asteroiden gebildeten Auswurfmaterialien wären hydratisierte Materialien, die größer als ein Millimeter sind und weit vom Einschlagpunkt entfernt stammen. Diese Eigenschaften stehen im Widerspruch zu aktuellen Mikrometeoriten-Produktionsmodellen und daher ist ein neuer Bildungsmechanismus erforderlich.

Kollisionen mit hoher Geschwindigkeit zwischen kleinen Körpern kamen im frühen Sonnensystem häufig vor1 und führten zu einer Vielzahl von Folgen wie Brekziation, Kraterbildung, Akkretion, Magmabildung und Entgasung2. Diese Prozesse wurden als eine Vielzahl physikalischer und chemischer Veränderungen an Oberflächenmaterialien von Asteroiden und Planeten aufgezeichnet, darunter spröde/plastische Verformungsstrukturen, Festkörperphasenumwandlungen, Rekristallisation, Schmelzen und Verdampfen2. Daher haben Planetenmaterialwissenschaftler mit Begeisterung erschütterte Meteoriten untersucht, von denen angenommen wird, dass sie von Asteroiden, dem Mond und dem Mars stammen3, um die Natur der Einschlagereignisse und damit verbundenen Prozesse zu verstehen, die in der gesamten Geschichte des Sonnensystems stattgefunden haben4,5,6 . Beispielsweise liefern der aus erschütterten Meteoriten entschlüsselte Spitzendruck und seine Dauer Einschränkungen für frühere Kollisionsgeschwindigkeiten und auch für die Größe von Asteroiden7,8.

To link such impact event parameters to well-defined Solar System environments, knowledge of the relevant source regions is required. However, at present, there are only limited numbers of returned samples available for detailed study. Shock effects have been reported in lunar rocks returned by the Apollo missions9,4 Ga Apollo 14 and 15 zircons. Meteorit. Planet. Sci. 54, 181–201 (2018)." href="/articles/s41550-023-01947-5#ref-CR10" id="ref-link-section-d2724302e1179"> 10, Kometenkernmaterialien, die von der Stardust-Mission zurückgebracht wurden11,12, und die Oberflächenpartikel des S-Typ-Asteroiden Itokawa, die von der Hayabusa-Mission der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zurückgebracht wurden. In Itokawa-Partikeln wurden schockinduzierte Defektstrukturen (Kristallgitterversetzungen), Schmelzspritzer und Mikrokrater erstmals in Olivinkörnern identifiziert13,14. Die Schockwirkungen des gesamten Itokawa-Gesteins konnten trotz einiger Versuche, die auf kristallographischen und spektroskopischen Analysen von Olivin und Plagioklas basierten, nicht vollständig bewertet werden15,16. Dies liegt daran, dass die meisten der zurückgeführten Partikel aus einzelnen Körnern oder Aggregaten mehrerer Körner mit einer Größe von nur <50 µm bestehen.

Schockeffekte im Zusammenhang mit hydratisierten Asteroiden sind in den Planetenwissenschaften von besonderem Interesse, da solche Asteroiden als eine der Hauptquellen für außerirdische Staubpartikel gelten17. Der Großteil des außerirdischen Materials, das auf der Erde ankommt, kommt in Form von Mikrometeoriten im Größenbereich von 50–500 μm18, mit einem geschätzten Fluss von etwa 30.000 Tonnen pro Jahr19. Die meisten ungeschmolzenen und teilweise geschmolzenen Mikrometeoriten ähneln in Chemie und Mineralogie den Matrizen von kohlenstoffhaltigen Chondriten vom Typ CI (Ivuna-Typ), CM (Mighei-Typ) und Tagish Lake, bei denen es sich um poröse Aggregate handelt, die hauptsächlich aus wasserhaltigen Phyllosilikaten bestehen20,21. Es ist wahrscheinlich, dass solche Materialien durch die Verdampfung flüchtiger Komponenten wie H2O während der Schockerhitzung explosionsartig pulverisiert werden und zu Mikrometeoriten werden. Daher ist es unwahrscheinlich, dass sie als Meteoriten überleben22. Diese Hypothese wurde weiter bestätigt, indem die Petrologie und Mineralogie von gewonnenen Proben wasserfreier CV-Meteoriten (Vigarano-Typ) und hydratisierter CM-Chondriten-Meteoriten mithilfe von Laborschockexperimenten verglichen wurden23,24.

Die Hayabusa2-Mission von JAXA bot die Möglichkeit, die Schockmetamorphose hydratisierter Asteroidenmaterialien direkt zu bewerten. Die Raumsonde Hayabusa2 brachte Anfang Dezember 202025 erfolgreich etwa 5,4 g Gesamtmaterial vom C-Typ-Asteroiden 162173 Ryugu zur Erde zurück. Zu den zurückgegebenen Materialien gehören Ryugus Oberflächenpartikel, die beim ersten Aufsetzen (Partikel der Kammer A) und beim zweiten Aufsetzen in der Nähe des Asteroiden 162173 Ryugu gesammelt wurden künstlicher Einschlagskrater (Kammer-C-Partikel), der durch den kleinen Handgepäck-Impaktor (SCI)25 gebildet wurde. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, den Grad der Schockmetamorphose von Ryugus Oberflächenmaterialien durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zu bewerten und die Hypothese zu bewerten, dass die massive Staubproduktion durch Dehydrierung während der Aufprallverarbeitung auf einem kleinen hydratisierten Sonnensystem vorangetrieben wird Körper, einschließlich Ryugu.

In the present study, we investigated five Ryugu particles (A0002, A0037, C0009, C0014 and C0068) from both chambers A and C using SEM and/or TEM. The mineralogy and petrology as well as the elemental and isotopic compositions of the Ryugu particles26,27,28,29,30,31,32,33 have close similarities with the CI chondritic meteorites34,35,5 μm) components within CI-chondrites and their individual clasts: mixing of various lithologies on the CI parent body(ies). Geochemistry 79, 125532 (2019)." href="/articles/s41550-023-01947-5#ref-CR36" id="ref-link-section-d2724302e1269">36. Die vorliegende Studie konzentriert sich hauptsächlich auf die Schockmerkmale von Ryugu-Partikeln, die mithilfe der Elektronenmikroskopie beobachtet wurden.

Die in dieser Studie untersuchten Ryugu-Partikel wirkten zunächst ungeschockt; Wir fanden jedoch einige charakteristische Merkmale im Zusammenhang mit der Schockmetamorphose. Die beobachteten Massenpartikel weisen unregelmäßige Brüche auf, insbesondere in den Beispielen, die besonders karbonatreich sind27,32. Subparallele Brüche, die in experimentell geschockten hydratisierten CM-Chondriten37 berichtet wurden, wurden nicht beobachtet (Abb. 1a). Ein weiteres mögliches schockbedingtes Merkmal, das im REM beobachtet wurde, ist die spröde Verformung der Olivinkörner. Im Partikel C0009 wurden mehr als 10 Körner isolierten Olivins in der Schichtsilikatmatrix identifiziert28,32. Die Olivinkörner (<50 µm) weisen teilweise unregelmäßige Brüche auf, weisen jedoch keine flächigen Brüche auf, wie sie bei experimentell und natürlich geschockten Olivinen2 vorkommen (Abb. 1b,c).

a, Rückstreuelektronenbild (BSE) des polierten Abschnitts des Partikels C0014. Fe-Sulfid- und Oxidkörner (helle Anteile) sind in die schichtsilikatreiche Matrix (dunkelgrau) eingebettet. Die Partikel weisen nur einige unregelmäßige Brüche auf. Der umrahmte Bereich ist in Abb. 2a dargestellt. b, c, BSE-Bilder von zwei verschiedenen Olivinkörnern (Ols) im Partikel C0009. Beide Ols weisen einige unregelmäßige Brüche auf, jedoch keine planaren Brüche, die nur durch Spitzendrücke über ~5 GPa entstehen.

Quelldaten

Schockbedingte Schmelzadern und Schmelztaschen fehlen bei allen Partikeln. Partikel C0014 weist jedoch seltene, dünne, gerade Adern mit einer Länge von weniger als 70 µm und einer Breite von weniger als 5 µm auf. In einem dieser Erzgänge hat ein Aggregat aus kugelförmigen Magnetitpartikeln eine dünne Linsenform, und das Aggregat wird auf beiden Seiten durch längliche Schichtsilikate entlang der Erzgänge abgeschlossen (Abb. 2a,b). Die Schichtsilikatader enthält weder Vesikel noch Fe-Ni-S-Nanokügelchen, von denen bekannt ist, dass sie Dehydratisierungs-/Schmelzprodukte darstellen37. Die chemische Zusammensetzung der Schichtsilikate entspricht nahezu der der feinkörnigen Schichtsilikatmatrix (Abb. 2c). Entlang der gleichen Richtung wie die Ader wird ein weiteres framboides Magnetitaggregat durch einfache Scherung verformt (Abb. 2a, b).

a, BSE-Bild einer Mikroscherzone (angezeigt durch gefüllte gelbe Dreiecke). Entlang der Scherzone erstreckt sich ein framboidisches Magnetitaggregat. b, Vergrößertes Bild des umrahmten Bereichs in a. Pfeile zeigen die Scherrichtungen entlang der Mikrostörung in einem und einem weiteren Verwerfungsversatz eines framboiden Magnetitaggregats an. Ein längliches Schichtsilikatkorn entlang der Mikrostörung wird durch offene gelbe Dreiecke angezeigt. c, Röntgenkarten von Mg, Al, Si, S, Ca und Fe des Gebiets in a. Der Silikatanteil entlang der Mikrostörung hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie die umgebende Silikatmatrix. Das Fehlen von Vesikeln und Fe-Ni-S-Kügelchen in der Verwerfungszone lässt darauf schließen, dass der Teil nicht durch Schockerhitzung geschmolzen wurde.

Quelldaten

Vier Ryugu-Partikel (A0002, A0037, C0009 und C0068) wurden mit TEM mit höherer räumlicher Auflösung weiter untersucht. Die aus den oben genannten Partikeln extrahierten ultradünnen Schnitte bestehen hauptsächlich aus Schichtsilikaten, die Fe-Sulfide und Fe-Oxidkörner enthalten (Abb. 3a und ergänzende Abb. 1 und 2). Es treten grobkörnige Schichtsilikataggregate mit einer Größe von mehreren Mikrometern mit federleichter Textur auf, die in feinkörnige Schichtsilikatmatrizen eingebettet sind. Das hochauflösende TEM-Bild und die Muster der Elektronenbeugung im ausgewählten Bereich (SAED) verdeutlichten, dass es sich bei den Phyllosilikaten um verwachsene Serpentine und Saponite mit Zwischenschichtabständen von 0,7 bzw. 1,1 nm handelt (Abb. 3b). Teile der feinen Matrixschichtsilikate sind schlecht kristallin und zeigen Beugungsringe mit d-Abständen von 0,45, 0,25 und 0,15 nm (Abb. 3c). Die chemischen Zusammensetzungen von grob- und feinkörnigen Schichtsilikaten in den Partikeln A0037 und C0068 haben ein Mg/(Mg + Fe)-Atomverhältnis von 0,84 ± 0,03 (1σ) (Abb. 3d und Ergänzungstabelle 1), während die von Schichtsilikaten in A0002 und C0009 liegen eher am Fe-Endglied. Die Fe-Anreicherung könnte durch extrem feine (<10 nm) Fe-Sulfidpartikel verursacht werden, die in den Phyllosilikaten eingebettet sind, und/oder durch Mg-Fe-Heterogenität innerhalb der Phyllosilikate. Diese Werte stimmen mit denen von Phyllosilikaten in anderen Ryugu-Partikeln31,33 und dem Orgueil-CI-Chondrit34 überein.

a: Ringförmiges Dunkelfeld-TEM-Bild mit großem Winkel eines ultradünnen Abschnitts von C0068. CPh, grobkörniges Schichtsilikataggregat; FPh, feinkörnige Schichtsilikatmatrix; Pn, Pentlandit; Po, Pyrrhotit. b, Hellfeld-TEM-Bild der Verwachsung von Serpentin (Srp) und Saponit (Sap) in A0037. Srp und Sap weisen Zwischenschichtabstände von 0,7 bzw. 1,1 nm auf. c, Hellfeld-TEM-Bild von schlecht kristallinen Schichtsilikaten in C0068. Das SAED-Muster zeigt Pulverbeugungsringe, die den d-Abständen von 0,45, 0,25 und 0,15 nm von dem im Einschub gezeigten Teil entsprechen. d, Das ternäre Mg-(Si + Al)-Fe-Diagramm von Phyllosilikaten in den Partikeln A0002, A0037, C0009 und C0068. Die schwarzen gestrichelten Linien zeigen die Festlösungslinien für Srp und Sap. Die chemischen Zusammensetzungsbereiche von grob- und feinkörnigen Schichtsilikaten im Chondrit von Orgueil CI34 sind als hellroter Bereich bzw. hellblauer Bereich dargestellt. Die graue gestrichelte Linie zeigt den Mg/(Mg + Fe)-Trend der Schichtsilikate von A0037 und C0068 mit 0,84. Sehr Fe-reiche Zusammensetzungen in den Partikeln A0002 und C0009 werden wahrscheinlich durch Fe-Sulfidkörner im Submikrometermaßstab innerhalb der Schichtsilikatkörner verursacht, was durch die räumliche Auflösung der Raster-TEM-energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS)-Analyse und/oder nicht ausgeschlossen werden kann. oder Mg-Fe-Heterogenität in den Schichtsilikaten selbst. Die Daten mit höheren Si-Gehalten als Sap würden durch das Vorhandensein nanometergroßer Si-reicher amorpher Materialien in den Zwischenräumen der Schichtsilikatschichten verursacht. Anzahl der Analysen: N = 44 für A0002, N = 19 für A0037, N = 20 für C0009 und N = 27 für C0068.

Quelldaten

Pyrrhotin und Magnetit sind nach den Schichtsilikaten die zweithäufigsten Mineralien. Pyrrhotit kommt im Allgemeinen als euhedrale und subhedrale Körner mit einer Größe von bis zu 6 µm in der feinkörnigen Schichtsilikatmatrix vor (Ergänzende Abbildungen 2 und 3a, c, e). Magnetit kommt meist als isolierte kugelförmige Körner (<8 µm) oder als Aggregate kugelförmiger Körner (<0, 9 µm) vor, entsprechend „Framboiden“ in CI-Chondriten (Ergänzende Abbildungen 2c und 3c). Pentlandit kommt in kleineren Körnern (<0,8 µm Größe) vor als Magnetit und Pyrrhotit (Ergänzende Abbildungen 2 und 3e). Kleinere Eskolaite (Cr2O3; Größe <0,8 µm) wurden auch in den Partikeln C0009 und C0068 gefunden (Ergänzende Abbildungen 2c und 3g).

Bemerkenswerterweise wurde in A0002 ein einzigartiges Fe-Sulfidkorn beobachtet (Abb. 4a). Dieses Korn ist euhedral und 1,2 µm groß mit einer reinen FeCr2S4-Zusammensetzung (Abb. 4b) und befindet sich innerhalb der feinkörnigen Schichtsilikatmatrix (ergänzende Abb. 2a). Dieser Sulfidtyp ist als Daubréelit bekannt und hat eine kubische Spinellstruktur. SAED-Muster aus dem Korn werden jedoch nur mit einer monoklinen FeCr2S4-Phase indiziert, die als Mineral Zolenskyit bekannt ist und kürzlich in einem Enstatit-Chondrit38 entdeckt wurde (Abb. 4c, d und Methoden).

a, Hellfeld-TEM-Bild eines Fe-Sulfidkorns (Zor), eingebettet in FPh-Partikel A0002. b: Röntgenspektrum des Korns in a mit reiner FeCr2S4-Zusammensetzung. Die Cu-Peaks im EDS-Spektrum in b stammen vom Kupfergitter, das für die Handhabung/Platzierung des FIB-Abschnitts verwendet wird. c,d, SAED-Muster aus dem FeCr2S4-Korn mit der monoklinen NiAs-Struktur (Zolenskyit) entlang der Zone [1\(\bar 1\)0] (c) und [1\(\bar 3\)0] (d). Achsen. Pfeile bezeichnen die Richtungen der reziproken Gittervektoren [uvw]*. c* bezeichnet eine reziproke Gitterachse.

Quelldaten

Progressive petrographische und mineralogische Übergänge werden zur Klassifizierung von Meteoriten und terrestrischen Einschlagkratergesteinen verwendet2. Spröde Verformungsmerkmale in Massenpartikeln und ihren Mineralbestandteilen sind Kriterien für relativ niedrige Schockgrade in chondritischen Meteoriten (Schockstadien S1–S3)2,37. Diese Klassifizierung legt nahe, dass subparallele Brüche in Massenmeteoriten und planare Brüche in Olivinkörnern Indikatoren für Spitzendrücke über 15 (Ref. 37) bzw. 5 GPa (Ref. 2) sind. Das Fehlen dieser Art von Brüchen lässt daher darauf schließen, dass der Spitzendruck für Ryugu-Partikel weniger als 5 GPa betrug.

In der vorliegenden Studie berichten wir über eine neue Einschränkung des Spitzendrucks mithilfe einer mikrofehlerähnlichen Ader, die im Partikel C0014 gefunden wurde. Der Ader fehlen jegliche schmelzende Mikrotexturen, die üblicherweise bei stark erschütterten Meteoriten beobachtet werden, wie z. B. Vesikel und Fe-Ni-S-Nanokügelchen6,37. Letzteres ist ein Beweis für eine abgeschreckte Mischung aus nicht mischbaren Silikat- und Metallsulfidschmelzen. Daher handelt es sich bei diesem Merkmal in C0014 wahrscheinlich um einen feinkörnigen Steingang, der durch spröde kataklastische Verformung entstanden ist. Die Ausdehnung und der Versatz der framboiden Magnetite deuten auch darauf hin, dass es sich bei der Ader wahrscheinlich um eine durch Schockmetamorphose entstandene Mikrostörung handelt. Diese Studie versucht, schockinduzierte Verwerfungen als einen analogen Prozess zu den Verwerfungen zu bewerten, die Erdbeben auf der Erde verursachen. Die auf solche Fehler einwirkenden Belastungen können durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, die auf einer Analyse der Fehlermechanik basiert39:

wobei τ, ΔT, C, d, ρ und D die Reibungsscherspannung, der Temperaturanstieg, die Wärmekapazität des Massengesteins, die Verwerfungsdicke, die Dichte des Massengesteins bzw. die Verschiebung entlang der Verwerfung sind. Die Reibungsschubspannung wird mithilfe der folgenden Gleichung40 in die mittlere Spannung Pm ([σ1 + σ3]/2: σ1 > σ2 ≈ σ3) umgerechnet:

wobei µ den Reibungskoeffizienten bezeichnet. Hier entspricht ΔT einem lokalisierten Temperaturanstieg nur in der Mikrofehlerzone. Wir gehen davon aus, dass das maximale ΔT von ~1.100 K zwischen der niedrigsten Ryugu-Oberflächentemperatur (~300 K)41 und der Solidustemperatur von hydratisierten kohlenstoffhaltigen Chondriten liegt, die der oberen Temperaturgrenze der Reibungserwärmung ohne Schmelzen (~1.400 K)42 entspricht. Der Reibungskoeffizient µ wurde auf 0,1 als typischer Wert für die Hochgeschwindigkeitsreibung von serpentinen-tonreichen Gesteinen festgelegt43,44. Es wird angenommen, dass die Werte für C (865 J kg−1 K−1)31 und ρ (1,79 g cm−3)31 denen typischer Ryugu-Partikel entsprechen. D (48,9 µm) und d (5,3 µm) sind geschätzte Werte aus den beobachteten Abmessungen eines deformierten sphärischen framboiden Magnetitaggregats (Details finden Sie in Methoden). Durch Einsetzen der oben genannten Parameter in die Gleichungen (1) und (2) beträgt die Obergrenze der Mittelspannung, die als Spitzendruck angenähert wird, etwa 2 GPa (Abb. 5 und Methoden). Bei dem Partikel C0014 könnte es sich um einen Auswurf aus dem künstlichen Einschlagskrater des SCI handeln. Es könnte vermutet werden, dass die mikrofehlerartigen Adern durch Stoßverformung während der SCI-Krateroperation entstanden sind. Die Möglichkeit einer Mikroverwerfung durch die Auswirkungen des SCI kann jedoch ausgeschlossen werden, da nur <0, 003 Vol.-% des SCI-Auswurfs einem Druck von mehr als 2 GPa ausgesetzt wären, basierend auf schockphysikalischen Berechnungen (ergänzende Abbildungen 8–10).

Die Zahlen neben jeder Kurve stellen den Temperaturanstieg (Kelvin) in der Mikrofehlerzone dar. Die beobachtete Verschiebung entlang der Verwerfung wird auf 48,9 µm geschätzt. Obwohl aufgrund der fehlenden Dehydratisierung von Mg-Fe-Serpentin45 die durchschnittliche Spitzentemperatur schätzungsweise unter ~500 °C liegt, wird aufgrund der Reibungserwärmung eine viel höhere Temperatur innerhalb der Scherzonen erwartet. Angesichts der Tatsache, dass die Obergrenze der Spitzentemperatur unter Berücksichtigung der Solidustemperatur von kohlenstoffhaltigem Chondrit in großen Mengen42 bei etwa 1.100 °C liegt, wird der Spitzendruck im Ryugu-Partikel auf unter etwa 2 GPa geschätzt.

Quelldaten

Beobachtungen im Submikrometerbereich liefern auch Hinweise auf die Spitzentemperatur und den Spitzendruck, denen Ryugu-Partikel ausgesetzt sind. Selbst auf der TEM-Skala konnten wir keine Dehydratisierungs- und Schmelztexturen von Mg-Fe-Phyllosilicaten finden, wie z. B. reichlich vorhandene Vesikel und die Bildung feiner Fe-Sulfid-/Oxidpartikel, die in Si-reiches amorphes Silicat eingebettet sind, was in einem experimentellen Schockbericht berichtet wurde hydratisierter Chondrit37. Dies lässt darauf schließen, dass die Erhitzungstemperatur ~500 °C nicht überschritt, was der Dehydratisierungstemperatur von Mg-Fe-Serpentin45 entspricht (ergänzende Abbildung 4). Wie kürzlich berichtet, stellen die Stabilitäten von aliphatischen kohlenstoffreichen organischen Stoffen und Cubanit (CuFe2S3), die in Ryugu-Materialien gefunden werden, auch Beschränkungen für die obere Temperatur dar, die auf 30 °C (Lit. 27) bzw. 210 °C (Lit. 32) begrenzt ist. Die detaillierte schockinduzierte thermische Geschichte von Ryugus Materialien ist ungewiss, da der Abkühlungsprozess nach der Schockerhitzung von der Größe des Impaktor-/Zielkörpers abhängt. Aliphatischer Kohlenstoff und Cubanit, die bei niedrigen Temperaturen stabil sind, könnten erhalten bleiben, wenn die Dauer der Hochtemperatur-Schockerhitzung sehr kurz wäre (z. B. Sekunden bis Stunden) und stark schwankte. Im Gegensatz dazu sind Schichtsilikate als häufigster Bestandteil selbst innerhalb von Mikrosekunden einer Schockerhitzung anfällig und werden bei >580 °C dehydriert (Lit. 24). Daher ist die Peaktemperaturbeschränkung von Mg-Fe-Serpentin zuverlässiger. Frühere Hydrocode-Impaktsimulationen von serpentinreichen Materialien wurden optimiert, um die Beziehungen zwischen Spitzendruck und Spitzentemperatur sowohl von kohlenstoffhaltigen CM-Chondriten (dominiert durch Mg-Fe-Phyllosilikate) als auch von CI-Chondriten zu untersuchen. Wenn die Stoßimpedanz der CI-ähnlichen Ryugu-Materialien an die von CM-Chondriten angepasst wird, beträgt die Obergrenze des Spitzendrucks für die Ryugu-Materialien ~5 GPa (ergänzende Abbildung 4).

Die Entdeckung einer einzigartigen Fe-Sulfidphase (Zolenskyit) im Partikel A0002 schränkt den Spitzendruck stark ein. Das Phasengleichgewicht von FeCr2S4 wurde experimentell untersucht47 (Ergänzende Abbildung 5). Daubréelit ist bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur stabil. Bei 700 °C war eine ungeordnete hexagonale NiAs-Phase oberhalb von ~4 GPa stabil und der Übergangsdruck nahm mit sinkender Temperatur zu. Die Studie berichtete auch, dass eine geordnete monokline Phase vom NiAs-Typ (Zolenskyit) bei 520 °C und 5,5 GPa gewonnen wurde. Obwohl die genauen Phasenverhältnisse der hexagonalen und monoklinen Phasen nicht im Detail geklärt sind, lässt die höhere Dichte von Zolenskyit (4,09 g cm−3)38 im Vergleich zu Daubréelit (3,83 g cm−3)48 darauf schließen, dass es sich bei Zolenskyit um einen Hochdruck handelt Phase von FeCr2S4. Unter Berücksichtigung der maximalen Schockerhitzungstemperatur von ~500 °C für Ryugu-Partikel als Ganzes, die aus dem Überleben von Phyllosilikaten abgeleitet wurde, hätte sich Daubréelit in A0002 bei etwa 2 GPa in Zolenskyit umgewandelt.

Jüngste hochauflösende TEM-Analysen ergaben, dass einige Oberflächen von Ryugu-Partikeln Weltraumverwitterungsmerkmale aufweisen, die durch Sonnenwindeinstrahlung und/oder (Mikro-)Meteoritenbeschuss verursacht werden49. Unter ihnen wird die äußerste schaumige Schicht als Schmelzprodukte der schichtsilikatreichen Matrix durch den letztgenannten Prozess auf Ryugus Oberfläche interpretiert. Die Schockwirkung ist auf oberflächennahe Bereiche mit einer Dicke von < 1 µm beschränkt; Daher repräsentieren sie nicht die Schockmerkmale des gesamten Teilchens. In der vorliegenden Studie kommen wir zu dem Schluss, dass der durchschnittliche Spitzendruck der Ryugu-Partikel ~2 GPa beträgt, was einer Aufprallgeschwindigkeit von ~1 km s−1 entspricht, basierend auf petrologischen und mineralogischen schockbezogenen Merkmalen (Ergänzende Abbildungen 4 und 6). ); Es ist auch zu beachten, dass der geschätzte Spitzendruck mit einer gewissen Unsicherheit behaftet sein kann.

Das Vorkommen hydrothermaler Mineralien wie Phyllosilikate, Dolomit und framboidischer Magnetit weist darauf hin, dass die Ryugu-Oberflächenmaterialien umfangreiche Wasserveränderungen erfahren haben, wie für hydratisierte Chondrite dokumentiert34,50. Die Größe von Ryugu (< 1 km) ist jedoch zu klein, um die durch den 26Al-Zerfall verursachte innere Wärme lange genug aufrechtzuerhalten, damit die Wasserumwandlung hydrothermale Mineralien bildet51, was darauf hindeutet, dass dieser Asteroid von einem größeren Vorläufer-Mutterkörper stammen muss. Die 53Mn–53Cr-Datierung von Carbonaten in Ryugu-Partikeln legt nahe, dass sich die Carbonate innerhalb von 1,8 Millionen Jahren nach der Bildung von Ca-Al-reichen Einschlüssen gebildet haben29, viel früher als in früheren Studien angenommen30,33. Dies bedeutet, dass der große Vorläuferkörper vor oder kurz nach dem Karbonatbildungszeitalter in Stücke mit einem Durchmesser von weniger als 20 km zerbrochen werden muss; andernfalls würde die Menge an 26Al im großen Körper zu diesem Zeitpunkt (26Al/27Al = ~10−5) genügend Wärme abgeben, um eine Dehydrierung wasserhaltiger Mineralien und anschließend ein Schmelzen im Anschluss an eine wässrige Umwandlung zu bewirken29. Daher ist der heutige Ryugu als hydratisierter Asteroid aus Trümmerhaufen52 wahrscheinlich durch die Ansammlung von Fragmenten eines großen Einschlagereignisses auf dem Vorläuferkörper entstanden, bevor in diesem größeren Körper eine ausgedehnte thermische Metamorphose einsetzte. Alternativ entstanden die Ryugu-Materialien nach einem Einschlag auf die CI/CM-ähnliche Oberflächenschicht eines großen differenzierten Vorläuferkörpers während einer fortschreitenden thermischen Metamorphose, wie zuvor für den Asteroiden Ceres vorgeschlagen53.

Jüngste Aufprallexperimente und Hydrocode-Simulationen54 modellierten die Kollision eines Impaktor-Asteroiden mit 20 km Durchmesser und eines Ziel-Asteroiden mit 100 km Durchmesser, die beide aus hydratisiertem und porösem Material bestehen, und simulierten so Ryugu-ähnliche Materialien. Die durch den Aufprall verursachte Freisetzung flüchtiger Stoffe während der Kollision war selbst bei einer typischen Aufprallgeschwindigkeit (6–7 km s−1) im Hauptasteroidengürtel auf nur 2–4 Gew.-% der Impaktormasse begrenzt55. Fasst man die theoretischen und gegenwärtigen Beobachtungsergebnisse zusammen, würden die meisten Massen kollidierter Asteroiden ohne Dehydrierung lediglich mechanisch zerstört werden, um den aus Trümmern bestehenden Ryugu-Körper zu bilden. Nur eine kleine Masse in der Nähe des Aufprallpunkts auf einem Ryugu-Vorläuferkörper wurde möglicherweise stark über die Dehydratisierungstemperatur von Mg-Fe-Serpentin erhitzt und pulverisiert, um teilweise/vollständig dehydrierte und submillimetergroße Staubpartikel zusammen mit der Dampffreisetzung zu enthalten, wie zuvor vorhergesagt durch Schockexperimente23,24.

Das in der vorliegenden Studie beobachtete völlige Fehlen von Dehydrierungstexturen und Mineralmerkmalen in Ryugu-Partikeln zeigt, dass hydratisierte Asteroiden ihr Wasser während der Einschlagereignisse, die sie erlebten, als Hydroxyl in Phyllosilikaten konservierten. Diese Studie legt auch nahe, dass die Produktion von Mikrometeoriten (Größe < 500 µm18) aufgrund der durch Schockerhitzung verursachten Verflüchtigung während solcher Zerfallsereignisse auf die Umgebung des Einschlagpunkts beschränkt wäre und ihre Gesamtmenge viel geringer ist als bisher erwartet23. Daher würde die überwiegende Mehrheit der wasserhaltigen Materialien von CI-ähnlichen Asteroiden als Meteoriten (> 500 µm groß) und nicht als Mikrometeoriten auf die Erde gelangen. Dieser Befund scheint im Widerspruch zu der Tatsache zu stehen, dass die meisten ungeschmolzenen und teilweise geschmolzenen Mikrometeoriten, die auf der Erdoberfläche gesammelt wurden, genetische Beziehungen zu hydratisierten CI-, CM- und Tagish Lake-ähnlichen kohlenstoffhaltigen Chondriten haben20,21. Eine mögliche Erklärung, um diese Diskrepanz auszugleichen, ist das Aufbrechen wasserhaltiger Meteoriten aufgrund der aerodynamischen Erwärmung beim Eintritt in die Erdatmosphäre56,57. Allerdings lassen die in den meisten Mikrometeoriten enthaltenen Sonnenwind-Edelgase58 darauf schließen, dass diese Partikel beim Eintritt in die Erdatmosphäre ihre ursprüngliche Größe behielten.

Jüngste Fernerkundungsbeobachtungen des hydratisierten Asteroiden Bennu durch die Raumsonde OSIRIS REx der National Aeronautics and Space Administration ergaben, dass Partikel (im Zentimeterbereich oder weniger) wiederholt von der Oberfläche des Asteroiden ausgeschleudert wurden59. Wir gehen davon aus, dass die Rissbildung im Oberflächengestein der hydratisierten Asteroiden durch thermisches Brechen ein alternativer Mechanismus zur Herstellung einer großen Anzahl von Mikrometeoriten ist. Weitere Analysen der von Bennu zurückgegebenen Proben werden detailliertere Erkenntnisse darüber liefern, wie hydratisierte Asteroiden ihr Wasser bewahren und wie dieses Wasser dann zur Erde geliefert werden kann.

Ryugus Oberflächenpartikel, die von der Raumsonde Hayabusa2 gesammelt wurden, wurden aus der Wiedereintrittskapsel geborgen und zur JAXA Curation Facility in Japan transportiert, ohne dass sie der terrestrischen Atmosphäre ausgesetzt waren25. Nach der Katalogisierung und vorläufigen Analyse in der JAXA-Kurationseinrichtung wurden acht Partikel mit einer Größe von bis zu 4,1 mm dem Phase-2-Kurationsteam in Kochi für eingehende Untersuchungen zugewiesen. Um terrestrische Verunreinigungen beim Probentransport zwischen Instituten zu vermeiden, wurde ein luftdichtes Probentransportgefäß mit einer Probenkapselpackung aus Saphirglas und Edelstahl60 verwendet.

Die Partikel wurden unter trockenen Bedingungen poliert, um zu verhindern, dass beim Polieren Material von der Oberfläche gelöst wird. Die polierte Oberfläche jeder Probe wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (JEOL JSM-7100F) untersucht, das mit einem EDS (Oxford Instruments AZtec Energy) ausgestattet war, um mithilfe hochauflösender Bildgebung am National Institute einen Überblick über die Mineralogie und Texturen der Proben zu erhalten of Polar Research, Japan. Die Einzelheiten des Probentransfers, der Verarbeitung und der SEM-Beobachtungen sind in Ito et al.27 und Yamaguchi et al.32 beschrieben.

Etwa 150 bis 200 nm dicke Abschnitte von Ryugu-Partikeln wurden mit einem FIB-Instrument (Hitachi High-Tech SMI4050) am Kochi Institute for Core Sample Research (Kochi), Japan Agency for Marine-Earth Science, hergestellt und Technologie. Alle Schnitte wurden unmittelbar nach der Entnahme aus luftdichten Probentransportgefäßen, die mit gereinigtem N2-Gas gefüllt waren, aus unverarbeiteten Bruchstücken der Originalpartikel entnommen. Die Stücke wurden auf Carbonband montiert und zur FIB-Kammer transportiert. Nach der Abscheidung von Wolfram-Schutzschichten wurden die interessierenden Bereiche (bis zu ~25 × 25 µm2) ausgeschnitten und mit einem Ga+-Ionenstrahl bei einer Beschleunigungsspannung von 30 kV ausgedünnt und dann bei 5 kV und einem Sondenstrom von 40 finalisiert pA zur Minimierung ionenschädigender Oberflächenschichten. Anschließend wurden die ultradünnen Schnitte mithilfe eines mit einem FIB ausgestatteten Mikromanipulators auf vergrößerten Cu-Gittern (Kochi-Gitter60) montiert.

Elf FIB-Abschnitte mit und ohne Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie, Nahkanten-Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie (STXM-NEXAFS) und hochaufgelöste Sekundärionen-Massenspektrometrie-Analysen (NanoSIMS) wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEOL JEM) untersucht. ARM200F) wurde in Kochi, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, mit einer Beschleunigungsspannung von 200 kV betrieben. Mikrotextur-Beobachtungen wurden mittels Hellfeld-TEM und ringförmigem Hochwinkel-Dunkelfeld-Scanning-TEM durchgeführt. Mineralphasen wurden mithilfe von SAED und Gitterstreifenbildgebung (hochauflösendes TEM) identifiziert und chemische Analysen wurden mithilfe von EDS mit einem 100-mm2-Siliziumdriftdetektor und der Software JEOL Analysis Station 4.30 durchgeführt. Für quantitative Analysen wurden die Intensitäten der charakteristischen Röntgenstrahlen jedes Elements unter Verwendung einer festen Erfassungszeit von 30 s, einer Strahlscanfläche von ~100 × 100 nm2 und einem Strahlstrom von 50 pA im scannenden TEM-Modus gemessen. Die (Si + Al)-Mg-Fe-Verhältnisse der Schichtsilikate wurden mithilfe experimenteller dickenkorrigierter k-Faktoren bestimmt, die aus einem natürlichen Pyrop-Almandin-Granat-Standard erhalten wurden.

In der vorliegenden Spitzendruckschätzung durch fehlermechanische Berechnungen wurde die Scherspannung auf der Mikrofehlerebene durch Gleichung (1) im Text unter Verwendung der folgenden physikalischen Eigenschaften für Ryugu-Partikel berechnet: 865 J kg−1 K−1 bei 298 K für die Wärmekapazität C und 1,79 g cm−3 für die Dichte ρ (Lit. 31). Was den Temperaturanstieg ΔT betrifft, so wurden in den Phyllosilikaten keine Zersetzungsmerkmale im Zusammenhang mit der durch SEM beobachteten mikrofehlerartigen Ader festgestellt. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Schichtsilikate Temperaturen unter 500 °C ausgesetzt waren45. Im Gegensatz dazu, dass das gesamte Partikel auf die mittlere Schocktemperatur erhitzt wird, sollten die lokal erhitzten Teile in der Nähe der Mikrostörung jedoch durch Wärmeleitung zu den relativ kalten umgebenden Materialien schneller abgekühlt werden. Wenn die Dehydratisierungskinetik von Schichtsilikaten langsam ist, ist es wahrscheinlich, dass die Schichtsilikate während der vorübergehenden Erwärmung durch Verwerfungen nicht einmal oberhalb von 500 °C zersetzt wurden. Daher wurde in den vorliegenden Berechnungen die obere Temperaturgrenze der Mikrostörung auf die Solidustemperatur der Ryugu-Massenpartikel (~1.100 °C) festgelegt.

Um die Verschiebung D der Mikrostörung abzuschätzen, haben wir ein einfaches Schermodell für die Kugel-Ellipsoid-Verformung angenommen. Die Scherdehnung γ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

wobei r0 der Radius des vorverformten kugelförmigen Objekts ist. Die Scherdehnung γ wurde nach folgender Gleichung berechnet:

wobei a und b die langen bzw. kurzen Achsen eines elliptisch deformierten Objekts sind61. Der Radius r0 (9,5 µm) eines Aggregats aus ursprünglich kugelförmigem framboidischem Magnetit wurde durch Messung der Gesamtfläche des länglichen frambialen Magnetitaggregats in einem beobachteten Rückstreuelektronenbild geschätzt, das mit der ImageJ-Software vom Partikel C0014 aufgenommen wurde. Die lange Achse a (45,2 µm) und die kurze Achse b (5,3 µm) des framboiden Magnetits wurden direkt durch das Rückstreuelektronenbild gemessen. Aus diesen gemessenen Parametern und den Gleichungen (3) und (4) wurde die Verschiebung D des Mikrofehlers auf 48,9 µm geschätzt. Abschließend wurde die mittlere Spannung Pm anhand der Reibungsschubspannung τ aus den Gleichungen (1) und (2) berechnet, wie im Text dargestellt. Obwohl die Analyse der Störungsmechanik und die Berechnungen der Schockphysik nicht einfach miteinander verglichen werden, wird die mittlere Spannung Pm ([σ1 + σ3]/2: σ1 > σ2 ≈ σ3) in der ersteren Analyse40 durch die Gleichungen (1) und (2) bestimmt vergleichbar mit dem Spitzendruck, der in der letztgenannten Analyse als durchschnittliche Spannung bezeichnet wird ([σ1 + 2σ3]/3: σ1 > σ2 ≈ σ3)62.

Aktuelle schockphysikalische Berechnungen unter Verwendung des iSALE-Codes verdeutlichten den Verlauf des Spitzendrucks und der deviatorischen Spannung in der Schockmetamorphose für die Partikel in Granit als Modellzielmaterial62. Die größte Komponente des deviatorischen Stresses wird um den Zeitpunkt des Spitzendrucks herum maximiert. Darüber hinaus erreicht die Differenzspannung ein Maximum, wenn der Druck auf mehrere zehn Prozent des Spitzendrucks abfällt. Ein Mikrofehler ist wahrscheinlich unmittelbar nach dem Ende der Kompressionsphase (d. h. zu Beginn der Dekompressionsphase) am stärksten verschoben, da die normale Belastung des Fehlers abnimmt.

Einkristalline Elektronenbeugungsmuster von einem FeCr2S4-Korn wurden durch die Zolenskyit-Elementarzelle mit der Raumgruppe C2/m und den Gitterparametern a = 1,284 nm, b = 0,344 nm, c = 0,594 nm und β = 117° indiziert (Lit. 38). ).

Alle zur Bewertung der Schlussfolgerungen erforderlichen Daten sind im Papier und in den Zusatzinformationen enthalten. Sie werden nach einer einjährigen Schutzfrist auch in das Datenarchiv- und Übertragungssystem der Japan Aerospace Exploration Agency (https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2) aufgenommen. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

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Ming-Chang Liu

Aktuelle Adresse: Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, USA

Yu Kodama

Derzeitige Adresse: Toyo Corporation, Tokio, Japan

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Naoki Shirai

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Yusuke Seto

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Fuyuto Terui

Graduiertenschule für Umweltstudien, Universität Nagoya, Nagoya, Japan

Sei-ichiro Watanabe

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Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tomioka, N., Yamaguchi, A., Ito, M. et al. Eine Geschichte milder Erschütterungen, denen die Regolithpartikel auf dem hydratisierten Asteroiden Ryugu ausgesetzt waren. Nat Astron (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-01947-5

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Eingegangen: 12. Mai 2022

Angenommen: 16. März 2023

Veröffentlicht: 20. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-01947-5

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