Japoneses utilizan haces de muones para analizar muestras del asteroide Ryugu


Las muestras de piedra traídas a la Tierra desde el asteroide Ryugu han analizado su composición elemental utilizando un haz de muones generado artificialmente desde el acelerador de partículas en J-PARC. Los investigadores encontraron una serie de elementos importantes necesarios para sustentar la vida, incluidos el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, pero también encontraron que la abundancia de oxígeno en relación con el silicio en el asteroide Ryugu era diferente de todos los meteoritos que se han encontrado en la Tierra, informa un nuevo estudio en Science.

(izquierda) Una radiografía muónica creada después de que un muón es capturado por un material irradiado, y (derecha) una muestra del asteroide Ryugu. Crédito: (imagen de la izquierda) equipo de análisis de muones, (imagen de la derecha) JAXA

En 2014, el explorador de asteroides no tripulado Hayabusa 2 fue lanzado al espacio por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) con la misión de recuperar muestras del asteroide Ryugu, un asteroide tipo C que los investigadores creían que era rico en carbono. Después de aterrizar con éxito en Ryugu y recolectar muestras, Hayabusa 2 regresó a la Tierra en diciembre de 2020 con muestras intactas.

Desde 2021, los investigadores han estado realizando los primeros análisis de las muestras, dirigidos por el profesor Shogo Tachibana de la Universidad de Tokio. Divididos en varios equipos, los investigadores han estado estudiando las muestras de diferentes maneras, incluidas las formas de las piedras, la distribución elemental y la composición mineral.

En este estudio, dirigido por el profesor de la Universidad de Tohoku Tomoki Nakamura, el profesor Tadayuki Takahashi y el estudiante graduado Shunsaku Nagasawa del Instituto Kavli para la Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Universidad de Tokio, en colaboración con la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK) Institute for Materials Structure Science, la Universidad de Osaka, la Agencia de Energía Atómica de Japón (JAEA), la Universidad de Kyoto, la Universidad Cristiana Internacional, el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) y la Universidad de Tohoku, han aplicado métodos de análisis elemental utilizando muones negativos, partículas elementales producidas por el acelerador en J-PARC.

Aplicaron el método de análisis elemental utilizando muones negativos a piedras del asteroide Ryugu, logrando determinar de manera no destructiva sus composiciones elementales.

La configuración del experimento a medida se desarrolló para evitar que las muestras se contaminaran con la atmósfera terrestre. El interior está lleno de gas helio y la cámara está revestida con cobre puro para minimizar el ruido de fondo. Crédito: equipo de análisis de muones

Esto era importante, porque si los asteroides en el sistema solar se construyeron al comienzo de la formación del propio sistema solar, todavía estarían reteniendo información sobre la composición elemental promedio en ese momento y, por lo tanto, de todo el sistema solar.

En el pasado se han llevado a cabo análisis de meteoritos que han caído a la Tierra, pero es posible que estas muestras hayan sido contaminadas por la atmósfera terrestre. Entonces, hasta Hayabusa 2, nadie sabía con certeza cuál era la composición química de un asteroide.

Pero los investigadores enfrentaron un desafío. Debido a la cantidad limitada de muestras y la gran cantidad de otros investigadores que querían estudiarlas, necesitaban encontrar una manera de ejecutar sus análisis sin dañarlos para que las muestras pudieran pasarse a otros grupos.

El equipo había desarrollado un nuevo método, que consistía en disparar un haz cuántico, o específicamente un haz de muones negativos, producido por uno de los aceleradores de partículas de alta energía más grandes del mundo, J-PARC, en la prefectura de Ibaraki, Japón, para identificar los elementos químicos de muestras sensibles sin romperlas.

Comparación espectral de rayos X muónicos de la muestra del asteroide Ryugu y la condrita CI Orgueil. Crédito: equipo de análisis de muones

Takahashi y Nagasawa luego aplicaron técnicas de análisis estadístico en experimentos de astronomía de rayos X y física de partículas para analizar los rayos X característicos de los muones.

Los muones son una de las partículas elementales del universo. Su capacidad para penetrar más profundamente en los materiales que los rayos X los hace ideales para el análisis de materiales. Cuando la muestra irradiada captura un muón negativo, se forma un átomo muónico. Los rayos X muónicos emitidos por los nuevos átomos muónicos tienen alta energía y, por lo tanto, pueden detectarse con alta sensibilidad. Este método se utilizó para analizar las muestras de Ryugu.

Pero había otro desafío. Para evitar que las muestras se contaminaran con la atmósfera terrestre, los investigadores necesitaban mantener las muestras fuera de contacto con el oxígeno y el agua del aire. Por lo tanto, tuvieron que desarrollar una configuración experimental, encerrando la muestra en una cámara de gas helio. Las paredes internas de la cámara se recubrieron con cobre puro para minimizar el ruido de fondo al analizar las muestras.

Comparación de la composición elemental de la muestra del asteroide Ryugu y la condrita CI Orgueil (K. Lodders, The Astrophysical Journal, 591, 1220-1247, 2003). La radiografía de oxígeno muestra que la abundancia de oxígeno de la muestra de Ryugu en relación con el silicio fue menor en comparación con la condrita CI. Crédito: equipo de análisis de muones

En junio de 2021, se introdujeron 0,1 gramos del asteroide Ryugu en J-PARC, y los investigadores realizaron su análisis de rayos X de muones, que produjo un espectro de energía. En él, encontraron los elementos necesarios para producir vida, carbono, nitrógeno y oxígeno, pero también encontraron que la muestra tenía una composición similar a la de los asteroides de condrita carbonácea (condrita CI), que a menudo se conocen como el estándar para sustancias sólidas. en el sistema solar. Esto mostró que las piedras de Ryugu fueron algunas de las primeras piedras que se formaron en nuestro sistema solar.

Sin embargo, aunque similar en composición a las condritas CI, la abundancia de oxígeno de la muestra de Ryugu en relación con el silicio fue aproximadamente un 25 por ciento menor que la de la condrita CI. Los investigadores dicen que esto podría indicar que la abundancia de oxígeno en exceso en relación con el silicio en las condritas de CI podría provenir de la contaminación después de que ingresaron a la atmósfera de la Tierra. Las piedras de Ryugu podrían establecer un nuevo estándar para la materia en el sistema solar.

Con información de Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe

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