Durch die Kombination von Neutronen und Röntgenbildgebung untersuchen Wissenschaftler Meteoriten, um zu erforschen, wie die Erde zu ihrem Wasser kam

Jedes Jahr bombardieren Hunderte von Meteoriten – Gesteinskörper, die bei der Entstehung des Sonnensystems übrig geblieben sind – die Erde und liefern Mineralien, Metalle und Wasser auf unseren Planeten. Die Analyse der Spalten und mineralreichen Ablagerungen im Inneren von Meteoriten enthüllt nicht nur die frühe Geschichte der Planetenentstehung, sondern kann auch Hinweise darauf liefern, wie die junge Erde Wasser und andere lebensnotwendige Bestandteile erhielt.

Jetzt haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) zwei sich ergänzende Techniken – Röntgenbildgebung und Neutronenbildgebung – kombiniert, um in diese felsigen Überreste zu blicken.

Die Neutronenbildgebung ist ideal für die Suche nach Wasser und anderen wasserstoffhaltigen Verbindungen, da Neutronen leicht von Wasserstoff abprallen. Im Gegensatz dazu eignet sich die Röntgenbildgebung am besten zum Auffinden von Ablagerungen schwerer Elemente wie Eisen und Nickel, da Röntgenstrahlen hauptsächlich durch die große Anzahl von Elektronen in schweren Atomen gestreut werden.

Keine der bildgebenden Verfahren beschädigt oder verändert Meteoriten wesentlich, im Gegensatz zu anderen Methoden zur Analyse der chemischen Zusammensetzung des Gesteins, bei denen dünne Scheiben der Meteoriten geschnitten werden müssen. Obwohl in der Vergangenheit jede Bildgebungsmethode separat verwendet wurde, gehört das Team zu den ersten, die die beiden Techniken gleichzeitig verwenden, um Röntgen- und Neutronenstrahl-Schnappschüsse zu erstellen.

In ihrer Pilotstudie untersuchten die Wissenschaftler zwei Meteoriten, deren Mineral- und Wassergehalt bereits gut bekannt waren, um die Genauigkeit der kombinierten bildgebenden Verfahren zu beurteilen. Einer der Felsen mit der Bezeichnung EET 87503 ist ein Fragment von der Oberfläche des großen Asteroiden Vesta, enthält aber auch Material von einer anderen, wasserreichen Art von Asteroiden.

Der andere Meteorit, GRA 06100, reich an Eisen und Nickel, wird als Chondrit klassifiziert – ein Gestein, das seit den Anfängen des Sonnensystems nicht durch Schmelzen oder andere Prozesse verändert wurde. Es hat auch eine beträchtliche Menge an wasserstoffhaltigen Silikaten, die durch früheren Kontakt mit Wasser entstanden sind.

Um dreidimensionale Ansichten der Meteoriten zu erstellen, verwendeten die NIST-Forscher Jacob LaManna und Daniel Hussey zusammen mit Kollegen vom Lunar and Planetary Institute in Houston, dem Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und der University of Chicago die Röntgen- und Neutronenstrahlen, um Querschnitte der Gesteine ​​abzubilden. Einzelbilder verschiedener Querschnitte wurden dann zu einem 3D-Bild kombiniert, eine Technik, die als Tomographie bekannt ist. (Ärzte verwenden routinemäßig Röntgentomographie-Scans, besser bekannt als CT-Scans, um den menschlichen Körper abzubilden.)

Die bildgebenden Verfahren zeigten genau die Positionen von metallreichen Mineralien, Silikatmineralien, Wasser und anderen hydrierten Verbindungen in den beiden Meteoriten. Die Neutronenbildgebung lokalisierte und charakterisierte die Chondritkörner innerhalb von GRA 06100, die dann für weitere Untersuchungen extrahiert werden konnten. Die 3D-Bildgebung kann Theorien darüber testen, wie Wasser in das Gestein eingedrungen ist und welchen Weg die Flüssigkeit genommen hat, um die Zusammensetzung der Mineralien zu verändern und in der Probe gebunden zu werden, sagte Hussey.

Obwohl Wasser 70 % der Erdoberfläche ausmacht, bleibt die genaue Art und Weise, wie die Substanz auf unseren Planeten gelangte, Gegenstand einer langjährigen Debatte. Einige Planetenwissenschaftler vermuten, dass Meteoriten und Kometen – eisige Relikte aus dem kalten, äußeren Sonnensystem – das Wasser zusammen mit den Bausteinen lebensnotwendiger Proteine ​​lieferten, nachdem sich der Kern unseres Planeten gebildet hatte. Andere vermuten, dass die Erde das Wasser während ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren aus Gas- und Staubstücken erhielt, die die junge Sonne umhüllten und sich zu unserem Planeten zusammenballten.

Wasser kommt in zwei Formen vor: gewöhnliches Wasser, bestehend aus Wasserstoff und Sauerstoff, und schweres Wasser, bestehend aus Deuterium (Wasserstoff mit einem zusätzlichen Neutron) und Sauerstoff. Eine Möglichkeit, festzustellen, ob Meteoriten eine Hauptquelle für terrestrisches Wasser waren, besteht darin, die relative Häufigkeit dieser beiden Arten in den Felsen mit der relativen Häufigkeit des Wassers auf und unter der Erdoberfläche zu vergleichen. Planetenwissenschaftler haben die Häufigkeit einiger Meteoriten gemessen, müssen jedoch eine größere Anzahl untersuchen.

Die Neutronen- und Röntgenbilder können bei diesen Studien hilfreich sein. Durch die Lokalisierung von Mineral-, Metall- und Wasservorkommen, die in Meteoriten eingeschlossen sind, könnten die Bilder den Forschern dabei helfen, Gesteinsabschnitte am besten zu schneiden, damit sie diese Häufigkeit sowie die Zusammensetzung anderer Verbindungen messen können.

Das NIST-Team nutzte das NIST-Zentrum für Neutronenforschung, eine von nur drei Neutronenstrahl-Forschungsquellen in den USA. Die Forscher berichteten über ihre Studie in der Oktoberausgabe von Meteoritik und Planetenkunde.

Das Team plant nun, seine duale Bildgebungstechnik zu verwenden, um weniger bekannte Meteoriten zu untersuchen, damit ihr Wasser- und Mineralgehalt zum ersten Mal detailliert kartiert werden kann, sagte LaManna.