Kousky prachu z okraje sluneční soustavy na střechu TU

Na střeše Eugene-Paul-Wignerova fyzikální budovy na TU Berlín si můžete nejen prostřednictvím dalekohledu prohlédnout vesmír. Hned vedle toho vědci našli v usazeninách na podlaze dva mikrometeority. Jeden z nich pravděpodobně pochází z okraje sluneční soustavy.

Kometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, vyfotografovaná 20. listopadu 2014 sondou Rosetta Evropské kosmické agentury ESA. Rosetta byla v té době pouhých 31 kilometrů od komety. Především, když se nachází v blízkosti Slunce, kometa neustále vypouští fontány plynu a prachu. Částice prachu by pak mohly dopadnout na Zemi jako mikrometeority.

Mikrometeorit s kovovou perlou na okraji. Vznikl poté, co se během fáze tavení v zemské atmosféře oddělily prvky nikl a železo od zbytku. Při ochlazení tyto kovy ztuhly do samostatného kuličky. Na něm lze číst, jak mikrometeorit pronikl do atmosféry, a to s kuličkou vepředu.

Mikrometeorit s želvím vzorem, který vznikl speciálními krystalizačními procesy v atmosféře Země. Pravděpodobně pochází z vnějšího slunečního systému a mohl se oddělit od komet, které procházejí kolem Jupiteru, nebo od kamenného materiálu v Kuiperově pásu – v vzdálenosti přibližně 40krát větší než je vzdálenost Země od Slunce.

Občanským vědci mohou sbírat mikrometeority na svých střechách a s určitým cvičením je identifikovat pod světelným mikroskopem. Nejzkušenější z nich nyní společně s týmem vědců z TU Berlín a Muzea přírodních věd v Berlíně a dalších mezinárodních vědců s vysokou pravděpodobností dokázali objasnit místa vzniku dvou mikrometeorůtů v sluneční soustavě. Oba se nacházely v prachu, který byl sesbíran na střeše fyzikální budovy Eugene-Paul-Wigner na TU Berlín. Poprvé byla při této studii použita počítačová simulace, která zohledňuje řadu možných oběžných drah, vlastností částic a vlivu kosmického záření na mikrometeority. Data z této počítačové simulace byla následně porovnána s měřeními mikrometeorůtů v částicovém urychlovači VERA na Vídeňské univerzitě, aby bylo možné určit jejich původní místo.

Scott Peterson je veterán americké armády, studuje chemické inženýrství v Minneapolisu a zároveň se stará jako domácí hospodář o svého syna. Navíc je jedním z nejzkušenějších sběratelů mikrometeorůtů na světě. Tato komunita neustále roste od doby, kdy norský jazzový hudebník a občanský vědec Jon Larsen v roce 2015 spolu s Imperial College v Londýně poprvé dokázal, že mikrometeority se nevyskytují pouze v odlehlých oblastech, jako je mořské dno nebo antarktické ledovce, ale také na našich střechách.

Občanský vědec identifikuje mikrometeority

„Požádali jsme Scotta, aby se podíval na naše vzorky, protože má prostě nejlepší oko při identifikaci mikrometeorůtů pod mikroskopem,“ říká Dr. Jenny Feige, která s podporou ERC-Starting-Grant Evropské rady pro výzkum zkoumá kosmický prach. Nejprve v Centru pro astronomii a astrofyziku (ZAA) na TU Berlín, dnes v Muzeu přírodních věd v Berlíně, kde se také provádí další projekty týkající se mikrometeorůtů ve spolupráci s občanskými vědci. Před konzultací s Scottem P. se vědci z TU Berlín vyšplhali na střechu tamní fyzikální budovy s dalekohledovou kopulí, sesbírali usazeniny z rohů a odtud je odklidili. „Celé to rozptýlíme ve vodě, aby se zbavili nejmenších listů a podobného. Poté sediment zahříváme na 600 stupňů, abychom zničili mikroby a jiný organický materiál úplně. Následně materiál prosíváme, a pak začíná hledání mikrometeorůtů,“ říká Feige.

Od nosů a želvích krunýřů

Ve vzorku bylo nespočet kuliček o velikosti 100 až 500 mikrometrů, z nichž většina podle terminologie vědců představovala „antropogenní kontaminaci“ – tedy pocházela z lidských zdrojů, jako jsou svářečské práce, ohňostroje nebo prostý kovový odpad z dopravy. V poslední části vzorku pak Scott Peterson skutečně našel dva mikrometeority, které bylo možné přiřadit ke konkrétní třídě podle charakteristických struktur. Tyto struktury vznikají, když kosmické prachové částice vtrhnou do atmosféry Země a jsou zpomalovány třením s molekulami vzduchu, což je výrazně zahřívá, dokud nezmoudří. Po ztrátě průměrně 90 procent své hmotnosti se zbytek při ochlazení podle úhlu vstupu a rychlosti v atmosféře, typu materiálu a okolních podmínkách různě krystalizuje.

Takže jeden mikrometeorit má díky určitým krystalizačním procesům vzor podobný želvímu krunýři. U druhého se při tavení oddělily prvky nikl a železo od zbytku a při ochlazování ztuhly do samostatné kuličky na mikrometeoritu. „Z této ‚násady‘ lze dokonce odhadnout, jak se dostal do atmosféry, a to s předností kuličky,“ říká Feige.

Mikrometeority mohou odhalit podmínky v sluneční soustavě

„Je stále velkou výzvou pro vědu zjistit něco o místě vzniku mikrometeorůtů nalezených na Zemi,“ říká Dr. Beate Patzer, teoretická astrofyzikyně na ZAA na TU Berlín. „To by bylo velmi žádoucí, protože mikrometeority mohou pocházet z velmi odlišných oblastí naší sluneční soustavy s různými podmínkami. Země zachytí přibližně 100 tun převážně meziplanetárního prachu denně. Mikrometeority jsou tím pádem mnohem častější než větší meteority, a mohli bychom z nich získat mnohem více dat a dozvědět se hodně o naší sluneční soustavě.“

Dolet do Země

Metoda určení původu mikrometeoritu spočívá v analýze dlouhověkých radioaktivních izotopů, které se při cestě vesmírem vytvářejí ozářením kosmickým zářením. „Na základě poměru různých izotopů s různými poločasy a fyzikálního modelu, který popisuje tvorbu těchto izotopů, lze odhadnout dobu letu mimozemských prachových částic do Země – a tím i jejich místo původu v sluneční soustavě,“ vysvětluje Patzer.

Poprvé počítačová simulace pro analýzu

„Poprvé jsme pro tuto analýzu vytvořili složitou počítačovou simulaci, která zohledňuje možné oběžné dráhy meziplanetárních prachových částic, velikost prachových zrn, jejich složení a hustotu, zářivé profily Slunce a kosmického záření z mezihvězdného prostoru, rychlosti odpařování při vstupu do atmosféry Země a řadu dalších parametrů,“ říká Jenny Feige. Zaměřili se přitom na radioaktivní izotopy hliníku-26 a berylia-10.

Pro měření velmi malého množství těchto izotopů v mikrometeoritech spolupracovalo výzkumné uskupení s urychlovačem VERA ve Vídni. Při této metodě, nazývané „spektrometrie urychlovačem“, jsou chemické prvky tříděny nejen podle jejich hmotnosti, ale i podle počtu protonů v jádru – což umožňuje jednoznačnou identifikaci izotopů.

Želva z okraje sluneční soustavy

Koncentrace hliníku-26 a berylia-10 v mikrometeoritech byly následně porovnány s výsledky počítačové simulace, která předpovídá akumulaci těchto radioizotopů v mikrometeoritech v závislosti na době letu a místě původu ve vesmíru. U šesti mikrometeorůtů se původ nejasně určil; u dalších šesti však bylo možné s velkou pravděpodobností určit místo vzniku, mezi nimi i dva nalezené na střeše TU Berlín: Mikrometeorit s želvím vzorem pochází z vnější sluneční soustavy a mohl se odtrhnout od komet, které míjejí Jupiter, nebo od horninového materiálu v Kuiperově pásu – ve vzdálenosti asi 40krát větší než je vzdálenost Země od Slunce. Mikrometeorit s „nosem“ pochází naopak z vnitřní sluneční soustavy, z blízkých objektů nebo z asteroidového pásu mezi Marsem a Jupiterem.

„Tímto výsledkem jsme mohli ukázat základní vhodnost naší metody,“ říká Jenny Feige. „V budoucnu nám umožní dozvědět se ještě více o vesmíru pomocí mikrometeorůtů. Především ty na našich střechách jsou velmi cenné, protože jejich doba pobytu na Zemi je velmi přesná: nemůže být starší než samotná střecha. U nálezů z hlubin oceánu nebo Antarktidy by mikrometeority mohly být staré i miliony let, což by činilo výsledky méně jistými.“