Fragmenty pyłu z krawędzi Układu Słonecznego na dachu TU

Na dachu budynku fizycznego Eugene-Paul-Wigner na TU Berlin nie można tylko patrzeć w kosmos za pomocą teleskopu. Tuż obok naukowcy znaleźli w osadach na podłodze dwa mikrometeoryty. Jeden z nich pochodzi prawdopodobnie z obrzeży Układu Słonecznego.

Kometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, sfotografowany 20 listopada 2014 roku przez sondę Rosetta Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA. W tym czasie Rosetta znajdowała się tylko 31 kilometrów od komety. Zwłaszcza gdy znajduje się w pobliżu Słońca, kometa wielokrotnie wyrzuca fontanny gazu i pyłu. Cząsteczki pyłu mogą wtedy dotrzeć na Ziemię jako mikrometeoryty.

Mikrometeoryt z metaliczną perłą na krawędzi. Powstał, gdy podczas fazy topnienia w atmosferze Ziemi elementy nikiel i żelazo oddzieliły się od reszty. Podczas chłodzenia te metale zastygały, tworząc osobny kuleczek. Na niej można odczytać, jak mikrometeoryt wszedł do atmosfery, mianowicie z kulką na czele.

Mikrometeoryt z wzorem żółwia, który powstał w wyniku specjalnych procesów krystalizacji w atmosferze Ziemi. Pochodzi z dużym prawdopodobieństwem spoza Układu Słonecznego i mógł się odłączyć od komet przemierzających wokół Jowisza lub od materiału skalistego w pasie Kuipera — w odległości takiej, jak około 40-krotność odległości Ziemi od Słońca.

Obywatele naukowcy mogą zbierać mikrometeoryty na swoich dachach i z pewną wprawą identyfikować je pod mikroskopem świetlnym. Najbardziej doświadczeni z nich, we współpracy z zespołem badawczym z TU Berlin oraz Muzeum Historii Naturalnej w Berlinie, a także innymi międzynarodowymi naukowcami, mogli z dużym prawdopodobieństwem wyjaśnić miejsca powstania dwóch mikrometeorytów w Układzie Słonecznym. Oba znajdowały się w pyłach zebranych na dachu budynku fizyki Eugene’a-Paula Wigner’a na TU Berlin. Po raz pierwszy w tej badaniu zastosowano symulację komputerową, która uwzględniała wiele możliwych orbit, właściwości cząstek oraz wpływ promieniowania kosmicznego na mikrometeoryty. Dane z tej symulacji komputerowej porównano następnie z pomiarami mikrometeorytów w akceleratorze cząstek VERA na Uniwersytecie Wiedeńskim, aby ustalić ich pochodzenie.

Scott Peterson jest weteranem armii USA, studiuje technologię chemiczną w Minneapolis i jednocześnie zajmuje się jako domator opieką nad swoim synem. Ponadto jest jednym z najbardziej doświadczonych kolekcjonerów mikrometeorytów na świecie. Ta społeczność stale rośnie od czasu, gdy norweski muzyk jazzowy i obywatelski Jon Larsen w 2015 roku, we współpracy z Imperial College London, po raz pierwszy wykazał, że mikrometeoryty występują nie tylko w odległych miejscach, takich jak dno oceanów czy lód Antarktydy, ale także na naszych dachach.

Obywatele naukowcy identyfikują mikrometeoryty

„Poprosiliśmy Scotta, aby rzucił okiem na nasze próbki, ponieważ ma po prostu najlepsze oko do identyfikacji mikrometeorytów pod mikroskopem”, opowiada dr Jenny Feige, która bada kosmiczny pył w ramach grantu ERC-Starting od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. Początkowo w Centrum Astronomii i Astrofizyki (ZAA) na TU Berlin, obecnie w Muzeum Historii Naturalnej w Berlinie, gdzie prowadzone są również inne projekty dotyczące mikrometeorytów we współpracy z obywatelami naukowcami. Przed konsultacją z Scottem Petersonem naukowcy z TU Berlin wspięli się na dach tamtego budynku fizyki z kopułą teleskopu, zebrali osady z kątów i przeczyszczali je. „Całość jest rozpuszczana w wodzie, aby usunąć najmniejsze liście i podobne elementy. Następnie podgrzewamy osad do 600 stopni, aby całkowicie zniszczyć mikroby i inny materiał organiczny. Po tym materiale jest jeszcze przesiewany, a potem rozpoczyna się poszukiwanie mikrometeorytów”, mówi Feige.

Od nosów i pancerzy żółwi

W próbce znajdowały się niezliczone kuleczki o wielkości od 100 do 500 mikrometrów, z których większość, według naukowców, stanowiła „kontaminację antropogeniczną” – czyli pochodziła ze źródeł stworzonych przez człowieka, takich jak spoiwo, fajerwerki czy po prostu metalowe zanieczyszczenia z ruchu ulicznego. W ostatniej części próbki Scott Peterson faktycznie znalazł dwa mikrometeoryty, które można było przypisać do określonej klasy na podstawie charakterystycznych struktur. Struktury te powstają, gdy cząstki kosmicznego pyłu wpadną w atmosferę Ziemi i podczas tarcia o cząstki powietrza zostaną spowolnione i mocno podgrzane, aż do stopienia. Po utracie średnio 90 procent masy, reszta krystalizuje się podczas chłodzenia, w zależności od kąta wejścia i prędkości w atmosferze, właściwości i warunków otoczenia, w różny sposób.

Tak więc jeden z mikrometeorytów ma wzór krystalizacji przypominający pancerz żółwia. Drugi z nich podczas topnienia elementy niklu i żelaza oddzieliły się od reszty i podczas chłodzenia zastygały w postaci osobnej kuleczki na mikrometeorycie. „Z tej ‚nazy’ można nawet wywnioskować, jak wszedł do atmosfery, mianowicie z kulką na przodzie”, opowiada Feige.

Mikrometeoryty mogą opowiadać o warunkach w Układzie Słonecznym

„Wciąż jest dużym wyzwaniem dla nauki dowiedzieć się czegoś o miejscu powstania mikrometeorytów znalezionych na Ziemi”, mówi dr Beate Patzer, teoretyczna astrofizyczka z ZAA na TU Berlin. „Byłoby to bardzo pożądane, ponieważ mikrometeoryty mogą pochodzić z bardzo różnych obszarów naszego Układu Słonecznego, z bardzo odmiennych warunków. Ziemia codziennie przechwytuje około 100 ton głównie międzyplanetarnego pyłu. Mikrometeoryty są znacznie częstsze niż większe meteoryty, więc moglibyśmy z nich uzyskać znacznie więcej danych i wiele się nauczyć o naszym Układzie Słonecznym.”

Czas lotu do Ziemi

Metoda określenia pochodzenia mikrometeorytu to analiza trwałych, radioaktywnych izotopów, które powstały podczas jego podróży w przestrzeni kosmicznej w wyniku napromieniowania powszechnie występującym w kosmosie promieniowaniem kosmicznym. „Na podstawie stosunku różnych izotopów o różnych czasach połowicznych i modelu fizycznego opisującego powstawanie tych izotopów można oszacować czas lotu cząstek pyłu spoza Ziemi do naszej planety – a tym samym ich miejsce pochodzenia w Układzie Słonecznym”, wyjaśnia Patzer.

Po raz pierwszy symulacja komputerowa do analizy

„Po raz pierwszy stworzyliśmy skomplikowaną symulację komputerową do tej analizy, uwzględniającą możliwe orbity cząstek pyłu międzyplanetarnego, wielkości ziaren pyłu, ich skład i gęstość, profile promieniowania Słońca i promieniowania kosmicznego z przestrzeni międzygwiezdnej, tempo odparowania podczas wejścia w atmosferę Ziemi i wiele innych parametrów”, mówi Jenny Feige. Skupili się na radioaktywnych izotopach aluminium-26 i beryllium-10.

Aby zmierzyć bardzo małe ilości tych izotopów w mikrometeorytach, zespół badawczy współpracował z akceleratorem cząstek VERA w Wiedniu. Podczas przeprowadzanej tam „spektrometrii mas akceleratora” chemiczne pierwiastki są sortowane nie tylko według masy, ale także według liczby protonów w jądrze – co umożliwia jednoznaczną identyfikację izotopów.

Żółw z granic Układu Słonecznego

Stężenia aluminium-26 i beryllium-10 w mikrometeorytach zostały następnie porównane z wynikami symulacji komputerowej, która przewiduje akumulację tych radioizotopów w mikrometeorytach w zależności od czasu lotu i tym samym miejsca pochodzenia w przestrzeni kosmicznej. W ten sposób pochodzenie sześciu mikrometeorytów zebranych w innych miejscach pozostało niejasne; sześć kolejnych mikrometeorytów można jednak z dużym prawdopodobieństwem przypisać do określonego miejsca pochodzenia, w tym dwa znalezione na dachu TU Berlin: Mikrometeoryt z wzorem żółwia pochodzi z zewnętrznego Układu Słonecznego i mógł odłączyć się od komet przemierzających wokół Jowisza lub od materiału skalnego w pasie Kuipera, w odległości około 40 razy większej niż odległość Ziemi od Słońca. Mikrometeoryt z „nosem” natomiast pochodzi z wewnętrznej części Układu Słonecznego, od obiektów bliskich Ziemi lub tych aż do pasa asteroidów między Marsem a Jowiszem.

„Dzięki temu wynikowi mogliśmy pokazać podstawową przydatność naszej metody”, mówi Jenny Feige. „W przyszłości pozwoli to na jeszcze więcej nauki o kosmosie przy pomocy mikrometeorytów. Szczególnie te na naszych dachach są bardzo cenne, ponieważ znamy ich czas pobytu na Ziemi bardzo precyzyjnie: nie może być starszy niż sam dach. W przypadku znalezisk z głębi oceanu czy Antarktydy mikrometeoryty mogą mieć nawet miliony lat, co czyni wyniki mniej pewnymi.”