Niezwykła chemia próbek z asteroidy Bennu

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.

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.

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.

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.

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] ↩︎

Kapsuła z sondy OSIRIS-REx wróciła na Ziemię

W niedzielę 24 września, dokładnie tak, jak planowano, a nawet małe 3 minuty przed czasem, na poligonie wojskowym Utah Test and Training Range odbyło się lądowanie kapsuły w której na Ziemię zostały dostarczone próbki pobrane z asteroidy Bennu. O samej misji pisałem tutaj.

Kapsuła została szybko znaleziona i przeniesiona przy pomocy śmigłowca do specjalnie przygotowanego tymczasowego miejsca, gdzie umieszczono ją w sterylnym tzw. clean roomie, aby nie dopuścić do zanieczyszczenia materii kosmicznej ziemską. Jako ciekawostkę mogę dodać, że zanim właściwy „rescue team” podszedł do kapsuły, jako pierwszy zjawił się tam saper i sprawdził otoczenie. W sumie to nic dziwnego, ponieważ trzeba pamiętać, że cały ten teren jest od dziesięcioleci poligonem wojskowym. Na szczęście nie znaleziono żadnych niebezpiecznych obiektów i można było realizować całą operację.

źródło: screenshot z transmisji NASA

źródło: NASA

źródło: screenshot z transmisji NASA

źródło: screenshot z transmisji NASA

Jest to zwieńczenie trwającej 7 lat misji OSIRIS-REx, w ramach której sonda kosmiczna poleciała do asteroidy, w ułamku sekundy pobrała próbkę skał i pyłu i wyruszyła w podróż w kierunku naszej planety. W tym momencie nie wiemy jeszcze jaką masę ma przywieziona próbka. Wiemy tyle, że naukowcy z całego świata czekają na to, aby móc zacząć analizy tego szutru. Po co? Ano, jest to niesamowity materiał, który latał tam gdzieś przez miliardy lat, stanowiąc pozostałość po budulcu Układu Słonecznego. Analizy chemiczne, fizyczne i geologiczne dadzą nam zapewne odpowiedzi na wiele pytań dotyczących powstawania naszego układu planetarnego, ale też wszechświata jako takiego. Zapewne też zrodzą wiele ciekawych pytań, na które znowu będziemy poszukiwali odpowiedzi. Szczególnie interesujące jest to, czy w zebranym materiale znajdą się związki organiczne, a jeśli tak, to jakie. Może dowiemy się czegoś o pochodzeniu życia na Ziemi? Kto wie…

Nie spodziewajmy się uzyskania szybkich odpowiedzi. Poczekamy na nie miesiące, a zapewne nawet lata. Ważne jest to, że mamy przetrenowany system wysyłania automatycznych sond w różne odległe miejsca, a nawet dostarczania na Ziemię próbek. A wszystko wygodnie z Ziemi, bez konieczności wysyłania ludzi w wieloletnią podróż, której mogliby zwyczajnie nie przeżyć.

W ramach szeroko zakrojonej misji New Frontiers już za kilka lat wyruszy sonda Dragonfly, której celem będzie Tytan, jeden z księżyców Saturna. Start planowany jest na czerwiec 2027. Na miejsce ma dotrzeć w 2034 roku i przez 3 lata prowadzić badania na powierzchni. No cóż, musimy poczekać.

Ozyrys wraca na Ziemię

Wyprawa po garść regolitu

Od razu uprzedzam – w tym tekście nie chodzi mitologię egipską, konkretnie o boga śmierci i odrodzonego życia, który nauczył ludzi uprawiać rolę. Tym razem chodzi o coś bardziej rzeczywistego i kosmicznego – dosłownie. Sonda NASA nosząca nazwę OSIRIS-Rex (ang. Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer – sonda do badania pochodzenia, interpretacji widm, rozpoznania zasobów, bezpieczeństwa i regolitu) jest elementem jednej z najbardziej spektakularnych misji, jaką podjęli badacze kosmosu.

Sonda OSIRIS-Rex, wizja artystyczna
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Jeszcze do niedawna tego typu misje były domeną literatury SF. Na początku XXI wieku, po skrupulatnych analizach badaczy Układu Słonecznego zaproponowano wysłanie w kosmos sondy, której głównym zadaniem miało być dotarcie do jednej z asteroid, pobranie próbek z jej powierzchni i dostarczenie ich z powrotem na Ziemię. Kosmiczna sprawa! Dla porządku: nie jest to pierwsza misja tego typu. W maju 2003 roku Japończycy wystrzelili sondę Hayabusa (jap. sokół wędrowny), która w listopadzie 2005 roku dotarła do planetoidy 25143 Itokawa i pobrała z powierzchni próbki. 13 czerwca wylądowały one na Ziemi, a sama sonda spłonęła zgodnie z planem w atmosferze.

Ale wróćmy do OSIRIS-a. Pamiętam dokładnie start z przylądka Canaveral na Florydzie – 8 września 2016 r. Przez kolejne cztery lata sonda wędrowała przez kosmos w kierunku asteroidy Bennu.

Asteroida Bennu – filmowana przez sondę z odległości 80 km
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Dlaczego właśnie ta asteroida? Jest to niewielki (w skali kosmicznej) obiekt, mierzący niecałe 500 m. Okrąża Słońce w ciągu nieco ponad roku, a jej orbita nie przecina orbity Marsa, natomiast co jakiś czas przecina orbitę Ziemi. Istnieje więc pewne prawdopodobieństwo, że kiedyś może trafić w Ziemię (spokojnie, nie prędzej niż za sto lat z hakiem). Bennu odkryto we wrześniu 1999 r. Przez kilkanaście lat asteroida była obserwowana z obserwatorium Arecibo oraz Deep Space Network – sieć stacji nadawczo-odbiorczych NASA, której głównym zadaniem jest komunikacja z sondami kosmicznymi.

Na orbicie asteroidy oraz krótka wizyta

W pierwszym etapie OSIRIS-Rex wszedł na orbitę Bennu. Było to bardzo precyzyjne zadanie – niełatwo jest wykonać taki manewr, ponieważ naprawdę trudno wejść na orbitę aż tak małego ciała niebieskiego. Udało się tego dokonać w sylwestra, 31 grudnia 2018 roku. Rozpoczęła się seria okrążeń i mapowania powierzchni asteroidy. Na początku odległość od powierzchni wynosiła 6,5 km, a po pewnym czasie sonda zbliżyła się do Bennu na odległość zaledwie 1 km. Pozwoliło to na bardzo dokładne zmapowanie powierzchni i wybór miejsca pobrania próbek.

Sama procedura pobierania próbek wymagała specjalnych przygotowań. Podstawowym było ustawienie paneli słonecznych w kształt litery Y. Chodziło o to, żeby w trakcie kontaktu z powierzchnią Bennu pył, który pokrywał powierzchnię asteroidy, nie osiadł na panelach, co spowodowałoby zmniejszenie efektywności produkcji energii elektrycznej. 20 października 2020 sonda z powodzeniem dotknęła ramieniem powierzchni Bennu.

Moment pobierania próbki przez sondę – wizja artystyczna
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Całość procedury była oczywiście transmitowana na Ziemię, dzięki czemu mogliśmy obserwować to niezwykłe wydarzenie w czasie niemal rzeczywistym (biorąc pod uwagę czas transmisji oczywiście). Próbki pobrane w czasie krótkiego kontaktu zostały wciągnięte do specjalnego pojemnika, który został następnie szczelnie zamknięty i przygotowany do lotu na Ziemię. Masa kapsuły, która właśnie podróżuje w kierunku nasze planety, wynosi ok. 46 kg. Jest wyposażona w elektronikę sterującą (awionikę) oraz spadochron. Przednia część to warstwa, której zadaniem jest ochrona całości przed nadmiernym wzrostem temperatury podczas podróży przez atmosferę. Procedura lądowania rozpocznie się na wysokości 31 km nad Ziemią, gdzie uruchomi się tzw. pilocik, natomiast na wysokości 3 km przy pomocy ładunków pirotechnicznych zostanie zwolniony główny spadochron hamujący.

Czekamy na lądowanie

Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, 24 września 2023 roku nastąpi lądowanie kapsuły z próbką z asteroidy Bennu – będzie to miało miejsce na poligonie wojskowym Utah Test and Training Range, 130 km na zachód od Salt Lake City.

Naukowcy z całego świata oczekują na szczęśliwe lądowanie kapsuły. Badania próbek zapewne potrwają jakiś czas, ale dadzą nam odpowiedzi na wiele pytań dotyczących powstawania Układu Słonecznego. Materia asteroid jest bowiem bardzo stara. Można powiedzieć, że to drobiny posklejane z resztek z „placu budowy Drogi Mlecznej”. Ot, takie resztki cegieł, zaprawy, dachówek.

Naukowcy bardzo poważnie traktują ten ostatni etap podróży Ozyrysa. 30 sierpnia 2023 roku NASA testowała procedurę przejęcia próbki wracającej z kosmosu. Kopia zasobnika została zrzucona z samolotu dokładnie w tym miejscu, w którym 24 września odbędzie się prawdziwe lądowanie. Wszystko odbyło się bez żadnych problemów. Po zabraniu próbki zostanie ona finalnie dostarczona do Houston.

Lecimy dalej

A co dalej z OSIRIS-Rex? 1,5 roku temu NASA podjęła decyzję o przedłużeniu misji i jednocześnie zmianie nazwy sondy na OSIRIS-APEX (APophis Explorer). Zostanie ona skierowana w stronę asteroidy 99942 Apophis. Jest to obiekt zbliżony rozmiarami do Bennu. Dlaczego właśnie ta asteroida? Obserwacje wskazywały, że istnieje szansa, iż właśnie ona może zagrozić Ziemi 13 kwietnia 2029 roku. Dziś już wiemy, że tak nie będzie, ale… kolejne bliskie spotkanie nastąpi dokładnie 7 lat później – 13 kwietnia 2036 roku. Spokojnie – obecne wyniki badań trasy Apophis sugerują, że co najmniej przez najbliższe 100 lat zderzenie nie nastąpi. Zgodnie z planem sonda ma się zbliżyć do asteroidy i wejść na jej orbitę. Co dalej? Na razie nie postanowiono, jest jeszcze trochę czasu, aby wszystko zaplanować.