Tag: astrochemia

Niezwykła chemia próbek z asteroidy Bennu

Mirosław Dworniczak8 komentarzy

Już kilkakrotnie na naszym portalu pisaliśmy o niesamowitej misji OSIRIS-REx, w ramach której sonda kosmiczna dopędziła jedną z asteroid, pobrała z niej próbkę regolitu i, przelatując w pobliżu Ziemi, wysłała ją do zbadania przez specjalistów z NASA. Uzyskane pierwsze wyniki są co najmniej zaskakujące.

OSIRIS-REx pobiera próbkę regolitu (wizja artystyczna)
źródło Wikipedia, domena publiczna
Powierzchnia asteroidy Bennu sfotografowana z odległości 3 km.
źródło: NASA, licencja: domena publiczna

Ale najpierw może kilka słów o tym, dlaczego w ogóle wymyślono taką misję. Otóż cały czas badamy to, jak powstawał Układ Słoneczny. Wiadomo, że w zasadzie jest to masa różnych pyłów, kamieni i skałek, które dzięki sile grawitacji związały się w nieco większe obiekty, a w rezultacie końcowym – w planety skaliste (od Merkurego do Marsa). I one są dla badaczy najbardziej istotne z punktu widzenia powstawania życia. Co prawda na Ziemi lądują często meteoryty i są dokładnie badane, ale jest z nimi poważny problem. Nie przechwytujemy ich w przestrzeni, a więc mogą ulec kontaminacji, czyli zanieczyszczeniu materiałem ziemskim (lub atmosferycznym). W przypadku regolitu z Bennu dostajemy absolutnie czystą próbkę – pobraną miliony kilometrów od Ziemi i dostarczoną tutaj w szczelnym pojemniku. Próbka została otwarta (no, z pewnymi trudnościami, o czym pisałem) w warunkach kontrolowanych, w sterylnym pomieszczeniu. Wszystko po to, aby nie można było mieć obaw o zewnętrzne zanieczyszczenia. No ale przejdźmy do wyników.

Co nieorganicznego znaleziono w regolicie

Zacznijmy od chemii nieorganicznej, choć jest w sumie nieco nudniejsza niż organiczna (moim zdaniem). Już wcześniej nieco światła rzuciły tu wstępne badania regolitu. W ziarenkach regolitu odkryto obecność jonów sodu oraz magnezu, jak też anionów fosforanowych.

Mikrofotografie próbek pozyskanych z Bennu. Biały kolor – fosforany.
źródło: NASA, licencja: domena publiczna

Co w tym niezwykłego? Ano choćby to, że tego typu związki nie pojawiają się ot tak, lecz zazwyczaj krystalizują z roztworów wodnych. Wygląda na to, że asteroida (a właściwie ciało niebieskie, z którego pochodzi) musiała pierwotnie zawierać roztwory różnych soli, które zagęszczając się (woda odparowywała m.in. ze względu na niskie ciśnienie) pomaleńku krystalizowała, tworząc rozmaite minerały. Dokładniejsze badania wykazały, że oprócz znalezionych wcześniej fosforanów (PO43-) i węglanów (CO32-) znajdują się tam jeszcze siarczki oraz magnetyt. Na szczególną uwagę zasługuje pierwszy raz znaleziony pozaziemski pirotyn/pirotyt1 (FeS – nie mylić z pirytem, czyli FeS2!). Występuje on także na Ziemi, w skałach magmowych oraz w kominach hydrotermalnych. Oprócz wyżej wymienionych znaleziono także znane z Ziemi kalcyty (węglany wapnia), dolomity (węglany wapnia i magnezu) oraz magnezyt (węglan magnezu zawierający Fe i Mn). Odkryto również tlenek żelaza w postaci magnetytu (Fe3O4), utkany w kryształach kalcytu. Innymi znalezionymi minerałami są glinokrzemiany, których na Ziemi jest niezwykle dużo. Wśród dziesiątków zidentyfikowanych minerałów znajdziemy tam też chlorek sodu i potasu (halit i sylwit), ale też, co ciekawe, fluorek sodu. Zinwentaryzowano też siarczany sodu i magnezu.

Bardzo istotnym odkryciem są też sole uwodnione – węglany wapnia i sodu. Dowodzą one, że tam, gdzie powstawała asteroida, musiało być pod dostatkiem wody, prawdopodobnie w postaci ciekłej.

Ale w sumie nie trzeba lecieć na asteroidę, aby odkryć różne minerały. Wystarczy pójść do kuchni i zajrzeć do czajnika. Jeśli przez jakiś czas nie był odkamieniany, zobaczymy na wewnętrznej powierzchni mniej lub bardziej grubą warstewkę jasnego lub ciemniejszego osadu. Powstaje on z soli rozpuszczonych w wodzie kranowej w czasie jej gotowania. Gdybyśmy poddali go analizie chemicznej, znaleźlibyśmy tam głównie węglany magnezu i wapnia, a także pewną ilość soli żelaza. Na Bennu prawdopodobnie miały miejsce podobne procesy, z tym że miliardy razy wolniejsze, bo przebiegające w znacznie niższych temperaturach. To trochę tak, jak porównanie szybkości reakcji utleniania – mamy błyskawiczne fajerwerki, a z drugiej strony rdzewiejący kawałek metalu. Chemicznie jest to taka sama reakcja.

Chemia organiczna Bennu

Zostawmy jednak chemię nieorganiczną. O wiele ważniejsze są związki organiczne, które badacze znaleźli w materiale z asteroidy. Mamy tu cały zestaw całkiem skomplikowanych związków organicznych. Co takiego tam znaleziono? Cegiełki, z których zbudowane są kwasy nukleinowe: wszystkie cztery zasady występujące w DNA, czyli adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę, oraz uracyl, który występuje w RNA zamiast tyminy – co jest bardzo istotnym odkryciem. A co z aminokwasami? HA! Odkryto aż 14 z 20 aminokwasów, które znamy z życia na Ziemi. Nie odnaleziono jednak (jeszcze?) łańcuchów aminokwasowych, czyli prekursorów naszych białek. Tu jeszcze jedna uwaga – jeśli czytaliście o lustrzanym świecie, o którym pisał Marcin Czerwiński, to zapewne rodzi się w was pytanie: jaką odmianę aminokwasów znaleziono: L czy D? Otóż znaleziono mieszaninę racemiczną, czyli obie odmiany w równych proporcjach. Na tym etapie świat wydaje się więc symetryczny. Nadal pozostaje zagadką, dlaczego nagle zaczął preferować odmianę L. Co więcej, w próbkach meteorytów znajdowano do tej pory aminokwasy właśnie z pewną przewagą odmiany L. Istnienie mieszaniny równych ilości L i D jest tu co prawda logiczne, ale w sumie dość niezwykłe.

Wróćmy do zasad nukleinowych. Badacze poszukiwali nieco więcej, a mianowicie nukleotydów, czyli zestawów „trójkowych” złożonych z zasady nukleinowej, cząsteczki cukru oraz nieorganicznej grupy fosforanowej. Niestety, jak dotąd poszukiwania nukleotydów nie przyniosły rezultatów. Cukrów jak na razie też nie znaleziono.

Oprócz wymienionych wyżej związków uczeni znaleźli takie prostsze molekuły jak formaldehyd, aminy, kwasy karboksylowe, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz N-heterocykle. Prawdziwa prebiotyczna zupa.

Panspermia?

Już starożytny mędrzec, Anaksagoras, rozmyślając nad pochodzeniem życia na Ziemi spoglądał w niebo. Wysnuł hipotezę, że życie może właśnie stamtąd pochodzić, z przestrzeni kosmicznej. Hipoteza ta była stricte filozoficzna i w zasadzie pozbawiona twardych dowodów. W XX wieku temat podjął m.in. wybitny chemik Svante Arrhenius, który tę hipotezę obudował naukowo, uważając, że życie (jakkolwiek je definiować) wędruje w kosmosie dzięki wszechobecnemu ciśnieniu światła. W zasadzie panspermia przewija się tu i ówdzie w rozmowach naukowców, ale jak dotąd brak twardych dowodów na to, że tak właśnie pojawiło się tutaj życie.

Czy badania regolitu z Bennu w jakimś stopniu potwierdzają hipotezę panspermii? Byłbym bardzo ostrożny w stawianiu takiej tezy. OK, znaleziono sporo związków, zarówno nieorganicznych, jak też organicznych (i to całkiem złożonych). Tyle że od znalezienia kilku(dziesięciu) klocków do podziwiania kolorowego zamku zbudowanego z nich nadal jest strasznie długa droga.

Literatura dodatkowa

An evaporite sequence from ancient brine recorded in Bennu samples | Nature

Abundant ammonia and nitrogen-rich soluble organic matter in samples from asteroid (101955) Bennu | Nature Astronomy

  1. Wygląda na to, że nazwę Pyrrhotin (w języku niemieckim) nadał mu August Breithaupt w 1835 r. Ta wersja występuje niezmiennie w niemieckiej literaturze fachowej i została zapożyczona przez język polski. Wariant „zmutowany” z obocznym sufiksem (pyrrhotite) pojawił się nieco później (Pierre-Armand Dufrénoy 1847) i rozpowszechnił się we francuskim i angielskim. Mimo to nazwa pyrrhotine bywała nadal używana sporadycznie w angielskim. Oxford English Dictionary dopuszcza oba warianty. [autor przypisu: Piotr Gąsiorowski] ↩︎

Europa Clipper – podróż w kierunku Jowisza

Mirosław DworniczakLeave a comment

Dwa wieki temu oceany świata opanowały duże, piękne i niesamowicie szybkie żaglowce – klipry. Do dziś budzą podziw, ponieważ ich konstrukcje były naprawdę optymalne, stworzone do pokonywania oceanów w trudnych warunkach z dużą prędkością, dochodzącą często do 20 węzłów (37 km/h). Ale era kliprów przeminęła, pojedyncze można jeszcze obejrzeć w suchych dokach (np. Cutty Sark w londyńskiej dzielnicy Greenwich).

Na pierwszym planie – Cutty Sark1

To tylko tytułem wstępu, albowiem ja zamierzam napisać trochę o kosmosie, a konkretnie o rozpoczynającej się misji o nazwie Europa Clipper. Jest to kolejny projekt NASA i JPL, którego celem jest jeden z galileuszowych księżyców Jowisza, konkretnie właśnie Europa.

Oficjalny znaczek misji

Pierwotny plan z 1997 r. zakładał wysłanie misji Europa Orbiter, ale w końcu została ona porzucona. W 2013 r. National Research Council zaproponował projekt pn. Europa Clipper. Jako wykonawców wybrano kilka instytucji: oczywiście NASA, będąca koordynatorem, poza tym JPL – Jet Propulsion Laboratory, a także Johns Hopkins University.

Plan misji

Sam projekt był kilkakrotnie modyfikowany, ponieważ trwające od kilku lat badania okolic Jowisza wykazały, że instrumenty badawcze będą w pobliżu Europy podlegać silnemu promieniowaniu. Zasadniczym zadaniem misji Clippera jest dokładne badanie księżyca, przy czym będzie ono prowadzone z odległości od kilkudziesięciu do ponad 2 tys. km.

Europa Clipper orbitujący wokół księżyca (wizja artystyczna)

Być może ktoś spyta: a dlaczego sonda nie zostanie wprowadzona na orbitę Europy, ale będzie krążyć wokół Jowisza i tylko okazjonalnie zbliżać się do księżyca? Wspomniałem o promieniowaniu – jest ono na tyle silne, że taka misja potrwałaby zaledwie kilka miesięcy, zanim instrumenty by się poddały, a tak jest szansa, że cała seria badań potrwa kilka lat. Planuje się, że powinna potrwać ok. 3,5 roku, po czym nastąpi efektowny koniec, a mianowicie roztrzaskanie Clippera o powierzchnię innego z księżyców Jowisza – Ganimedesa. No dobrze, a dlaczego nie o powierzchnię Europy? Naukowcy z NASA i JPL uznali, że powierzchnia Europy powinna pozostać na razie nietknięta, dostępna do dalszych badań, gdy zostanie tam wysłany lądownik. Czyli po prostu na wszelki wypadek. No cóż, zawsze jest możliwość, że sonda będzie miała pasażera na gapę. Nie jakiegoś małego ssaka, ale np. niesporczaka, który bez problemu przetrwałby taką podróż i zanieczyścił księżyc.
Europa Clipper został zaprojektowany pierwotnie w taki sposób, aby mógł czerpać energię z dwóch źródeł. Jednym z nich będą oczywiście panele solarne. Trzeba pamiętać o odległości Jowisza od Słońca – dochodzi tam zaledwie 4% energii słonecznej w stosunku do tej uzyskiwanej na orbicie ziemskiej. Panele o łącznej powierzchni ponad 100 m2 dostarczą zaledwie 150 W, i tyle musi sondzie wystarczyć. Trzeba tylko trzymać kciuki, aby wielkie panele wytrzymały ciągłe promieniowanie, które będzie je bombardować. Z konieczności zrezygnowano natomiast z drugiego źródła energii – generatora RTG opartego na promieniotwórczym plutonie. Niestety, niedostatek plutonu-239 wymusił zmianę koncepcji.
Masa sondy wyniesie 5,8 tony, z czego paliwo będzie stanowiło niemal połowę. Do komunikacji radiowej z Ziemią służyć będzie specjalna antena o średnicy 3 m, a także kilka anten dodatkowych. Całość korpusu sondy będzie obudowana osłonami chroniącymi przed promieniowaniem za pomocą warstw o grubości niecałych 10 mm, wykonanych ze stopu aluminium z cynkiem.

Sonda Europa Clipper – wizja artystyczna


A w środku będzie kilka instrumentów badawczych. Pierwszy – E-THEMIS – będzie badał promieniowanie cieplne, które pozwoli na znalezienie miejsc aktywnych geologicznie. Następny, MISE, ma za zadanie badanie spektrometryczne pozwalające na wykrycie związków organicznych, w tym aminokwasów. EIS będzie obserwować powierzchnię księżyca w świetle widzialnym. Następne będą wykrywać pole magnetyczne, inne z kolei posłużą do analizy radarowej. Bardzo ważnym przyrządem jest MASPEX – specjalistyczny spektrometr mas, pozwalający na określenie składu powierzchni, jak też leżącego pod nią oceanu. Podobne urządzenie z sukcesem wykonywało już badania w ramach misji Cassini. Całość kosztów zamknęła się w sumie nieco większej niż 4 mld dolarów.

Podróż

Po starcie (mam nadzieję, że szczęśliwym) z Ziemi sonda Europa Clipper nie poleci bezpośrednio w kierunku Jowisza. Najpierw doleci w okolice Marsa, potem do okolic Ziemi – wykona manewry znane jako asysta grawitacyjna (przyspieszenie dzięki oddziaływaniu pola grawitacyjnego planet i księżyców), a dopiero potem pomknie w kierunku Jowisza. Na miejsce ma dotrzeć dopiero w kwietniu 2030 r. Wtedy rozpocznie się część badawcza misji. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, dane zaczną spływać po tej dacie, ale zapewne jeszcze trochę potrwa, nim coś zostanie upublicznione. Ale spokojnie, zespół naszego portalu będzie trzymał rękę na pulsie i poinformuje was, gdy tylko pojawią się jakieś ciekawe informacje.

  1. Wszystkie ilustracje pochodzą z Wikipedii, licencja: domena publiczna ↩︎

Niezwykłe odkrycie w regolicie z Bennu

Mirosław Dworniczak1 Comment

Kilka miesięcy temu na Ziemię powróciła próbka materii pobranej w niezwykły sposób z asteroidy Bennu. Pisałem wtedy o tej wyprawie, a też o powrocie próbki, i obiecałem, że gdy tylko będą nowe doniesienia o analizach, na pewno wrócę do tematu. I właśnie nadszedł ten czas.
Zacznę może jednak od momentu, który nastąpił tuż po lądowaniu pojemnika z asteroidowym regolitem na amerykańskim poligonie wojskowym znajdującym się na pustyni w Utah. Wielka misja przebiegła z zegarmistrzowską precyzją. Okazało się jednak, że zaraz potem zaczęły się schody, do tego bardzo niespodziewane. Problemem okazało się otwarcie pojemnika. Aby zachować maksymalną sterylność, został on przeniesiony do specjalnego pomieszczenia, gdzie przystąpiono do otwarcia, a w zasadzie próby jego otwarcia.

Zespół badaczy otwiera w warunkach kontrolowanych pojemnik z regolitem z Bennu
źródło: nasa.gov, licencja: domena publiczna

Z 35 śrub udało się odkręcić 33, dwie nie puściły. Można sobie wyobrazić frustrację zespołu. Próbka została pobrana w fantastyczny sposób, potem przyleciała w okolice Ziemi, przebywając ponad 6 mld km. Wylądowała bezpiecznie na powierzchni. No i nagle stop, śrubki nie puszczają, a nie ma narzędzia, którego można by użyć. Musiały minąć ponad trzy miesiące do chwili, w której ogłoszono: mamy to!
Ktoś mógłby powiedzieć: no jak to, mamy XXI wiek, a nie ma narzędzi, aby to otworzyć? Nie mieli WD-40? Otóż nie. Do operacji wewnątrz pomieszczenia na poligonie można było użyć wyłącznie narzędzi, które były wewnątrz. Reguły są jasne: żadnej zewnętrznej ingerencji, ani tym bardziej ziemskich substancji, szczególnie organicznych. Wszystko musi być wyczyszczone, wysterylizowane, maksymalna precyzja. Na szczęście po wielu próbach w końcu się udało, ale dopiero w styczniu 2024 r.

Ciekawe wyniki badań wstępnych
Naukowcy z wielką ochotą zabrali się do analiz. Mieli wreszcie coś niezwykłego – praktycznie nietkniętą garść materiału z czasów początku naszego układu. Niedawno ujawniono wyniki wstępnych badań. Bez wchodzenia w szczegóły napiszę, że najpierw próbka była badana pod mikroskopem. Okazało się, że obserwowane ziarenka są w większości ciemnego koloru, pokryte warstewką jasnej substancji. I właśnie ona skupiła na sobie zainteresowanie badaczy.

Próbki regolitu widziane pod mikroskopem. Białe fragmenty to fosforany
Żródło: nasa.gov, licencja: domena publiczna

Prosta analiza chemiczna wykazała, że składa się głównie z kationów magnezu (Mg2+) oraz sodu (Na+), a także anionów fosforanowych (PO43-). Czyli mamy fosforan magnezu i sodu. Cóż w tym sensacyjnego? Przecież na Ziemi spotykamy go w wielu miejscach, w różnych formacjach geologicznych. To prawda, ale te minerały są ściśle związane z wodą, z oceanami. Wygląda więc na to, że te niepozorne szare kryształy powstały kiedyś w jakimś zbiorniku wodnym w pierwotnym świecie sprzed miliardów lat. Potem asteroida, z których jest zbudowana, została jakoś wyrwana ze swojego środowiska (które zapewne strasznie dawno temu przestało istnieć) i ruszyła w podróż po Układzie Słonecznym. Co ciekawe, wcześniejsze zdalne badania Bennu nie wykazały obecności pochodnych fosforu w tamtejszym regolicie. Jeśli dodamy do tego już posiadane dane o tym, że są tam związki węgla oraz woda, mamy już sporo składników ważnych, jeśli analizujemy to, w jaki sposób powstał nasz system planetarny. Bo tak naprawdę Bennu to jeden z odpadów, który pozostał z tej kosmicznej budowy – ot, takie pół pokruszonej cegły.
Głównymi minerałami tworzącymi regolit Bennu są jednak krzemiany, konkretnie serpentyn oraz różne smektyty (jednym z nich jest bentonit, znany zapewne miłośnikom kotów). Nic w tym dziwnego, ponieważ krzem (Si) jest jednym z najczęściej występujących w kosmosie pierwiastków, a krzemiany są wszędzie.
Badanie regolitu z Bennu da nam zapewne nieco odpowiedzi na pytania dotyczące tego, jak się tworzył Układ Słoneczny. Warto jednak uświadomić sobie, że jednocześnie pojawi się dużo nowych pytań, na które będziemy musieli znaleźć odpowiedzi.
Analizy skałek z Bennu uświadamiają nam też inną rzecz. Prawdopodobnie nieprędko (jeśli w ogóle) człowiek zapuści się na tyle daleko w kosmos, aby osobiście pobierać próbki i je badać. Kilka krajów pokazało jednak, że możemy to wszystko osiągnąć, wykorzystując urządzenia automatyczne – zaprogramowane wcześniej i same odbywające nawet długie podróże, bez narażania ludzi na promieniowanie kosmiczne oraz niewygody związane z wielomiesięczną podróżą w ograniczonej przestrzeni.
Stąd nie może dziwić, że misje związane z pobieraniem kosmicznych próbek i przewiezieniem ich na Ziemię w najbliższych latach będą dość liczne. Poza USA i ZSRR (dziś Rosją) do klubu eksploratorów kosmosu dołączyły Chiny, Japonia oraz Indie, jak też ponadnarodowa Europejska Agencja Kosmiczna. Plany obejmują pobieranie próbek z Księżyca, Marsa (oraz jego księżyca, Fobosa), rozmaitych asteroid oraz komet. Na wyniki nieco poczekamy.

I taka refleksja osobista: od dzieciństwa jestem fanem Lema i klasycznej literatury SF. Marzyłem wtedy o tym, że może kiedyś sam polecę gdzieś tam, daleko. Ot, fantazje małolata. Dziś już nie mam złudzeń. Być może człowiek w ciągu kilkudziesięciu lat poleci na Marsa. I tyle, dalsza podróż praktycznie nie jest możliwa. Jesteśmy zbyt kruchymi organizmami, aby odbyć dalsze wędrówki, nawet w naszym układzie planetarnym. A podróże do gwiazd… no cóż, pozostaną w literaturze SF raczej na zawsze.