Stellen Sie sich vor, Sie öffnen eine Zeitkapsel in der Hoffnung, etwas über die ferne Vergangenheit zu erfahren. Doch statt einer Kiste oder Truhe ist es ein Asteroid, der Einblicke in die Anfänge des Lebens auf der Erde geben könnte.
Mit dieser Situation waren die Forscher konfrontiert, die die Advanced Light Source (ALS) nutzten. Da die ALS eine Einrichtung des Department of Energy (DOE) Office of Science ist, sieht das dort arbeitende Team viele ungewöhnliche Dinge, von Materialien für Solarzellen bis hin zu Partikeln, die von Waldbränden beeinflusst wurden. Aber selbst für dieses Team war eine Probe von einem Asteroiden ungewöhnlich.
Glücklicherweise konnten die Wissenschaftler am ALS dank ihrer innovativen Werkzeuge die Geschichte dieser aus dem Weltraum gelieferten Gesteine erforschen.
So wie uns das Studium von Gesteinen auf der Erde Aufschluss über die frühe Geschichte der Erde geben kann, kann uns das Studium primitiver kleiner Körper wie Asteroiden, Meteoriten und Kometen etwas über die Geschichte unseres Sonnensystems verraten.
Chondriten sind eine besonders nützliche Meteoritenart. Sie sind undifferenziert und chemisch primitiv. Die Gesteine in ihnen gehen auf Staub und kleine Körner im frühen Sonnensystem zurück, die sich zu einem großen Mutterkörper zusammenschlossen.
Eine bestimmte Art von Chondriten (die sogenannten kohligen Chondrite) konservieren relativ reichlich vorhandene Chemikalien, die leicht verdampfen, darunter Kohlenstoff und Wasser. Diese sind die Bausteine des Lebens auf der Erde. Durch die Untersuchung dieser konservierten Materialien können Wissenschaftler eine der grundlegenden Fragen der Menschheit untersuchen: „Woher kommen wir?“
Das Team untersuchte mit dem ALS eine Probe von der Oberfläche eines kohlenstoffhaltigen Asteroiden namens Ryugu. Sie erwarteten, dass dieser Asteroid kohlenstoffhaltigen Chondrit-Meteoriten ähnelt. Ryugu liegt im Vergleich zu Asteroiden im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter relativ nah an der Erde.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass Ryugu ein Asteroid aus Trümmern ist. Sie glauben, dass er entstand, als ein Objekt seinen Mutterkörper traf und die ausgeworfenen Gesteine sich dann wieder zu einem neuen Asteroiden vereinigten. Nach diesem Prozess bewegte sich der Asteroid vom Hauptgürtel in eine erdnahe Umlaufbahn.
Die Raumsonde Hayabusa2 der japanischen Raumfahrtagentur JAXA sammelte 2019 an zwei Stellen auf der Oberfläche von Ryugu Proben und brachte sie 2020 zur Erde zurück. Bei der kuratorischen Arbeit bei JAXA wurden insgesamt 5,4 g Proben gefunden.
Die Agentur teilte einen kleinen Teil der Probe dem Hayabusa2-Erstanalyseteam zu, das aus etwa 400 Wissenschaftlern aus aller Welt besteht. Hikaru Yabuta von der Universität Hiroshima leitete eines von sechs Unterteams des Erstanalyseteams.
Ultradünne Abschnitte der Asteroidenpartikel sind beim ALS im Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE eingetroffen. Das ALS ermöglicht es Wissenschaftlern, die Elemente und Moleküle im Inneren von Materialien genau zu identifizieren. Es verwendet einen Teilchenbeschleuniger, um außergewöhnlich helle Röntgenstrahlen zu erzeugen. Wie die Röntgenstrahlen in einer Arztpraxis geben sie Aufschluss über das Innere eines Objekts. Aber anstatt nur Knochen hervorzuheben, ermöglichen diese Röntgenstrahlen es Wissenschaftlern, die chemischen und strukturellen Eigenschaften der Materie selbst zu untersuchen.
Zunächst scannte das Team die Probe sorgfältig in langen horizontalen Reihen – wie Text in einem Buch – mit Röntgenstrahlen. Indem sie maßen, wie sich die Röntgenstrahlen während des Scannens verändern, konnten die Wissenschaftler einzelne Körner organischen Materials in der Asteroidenprobe identifizieren. Diese Körner waren winzig – nur 100 Mal größer als ein DNA-Strang.
Nachdem die Wissenschaftler die interessanten Körner identifiziert hatten, nutzten sie Röntgenstrahlen, um die Art der chemischen Bindungen in den organischen Kohlenstoffkörnern aufzudecken. In diesem Fall nutzten die Forscher das Verfahren, um die verschiedenen Elemente und funktionellen Gruppen (spezifische Anordnungen von Atomen) in der Probe abzubilden.
Basierend auf dieser Analyse fanden die Wissenschaftler vier verschiedene Arten von Kohlenstoffverbindungen sowie verschiedene Arten von Strukturen. Nachdem sie diese Materialien identifiziert hatten, verglichen die Wissenschaftler sie mit ähnlichen Meteoriten, deren Geschichte sie bereits kannten.
Durch das Zusammenfügen all dieser Daten konnten sie die Geschichte des Asteroiden im frühen Sonnensystem, das vor etwa 4,6 Milliarden Jahren entstand, grob skizzieren. Die chemische Zusammensetzung des organischen Kohlenstoffs in den Proben deutete darauf hin, dass Ryugus organische Materie aus den Vorläufern dieser Materie entstand, die sich während einer chemischen Reaktion mit flüssigem Wasser auf dem Mutterkörper des Asteroiden veränderten.
Die Kohlenstoffisotope in den Proben wiesen darauf hin, dass die organischen Vorläufer aus der extrem kalten Umgebung des Weltraums (etwa -200 °C) stammten. Das Team war das erste, das die direkte Verbindung zwischen organischer Materie im kohlenstoffhaltigen Asteroiden und der ähnlichen organischen Materie in primitiven kohlenstoffhaltigen Chondriten (Meteoriten) nachweisen konnte.
Auffällig fehlte ein Materialtyp: Graphit. Graphit ist eine bekannte Form von Kohlenstoff, die in Bleistiftminen verwendet wird. Bei Asteroiden ist Graphit oder graphitähnliches Material ein Zeichen dafür, dass der Kohlenstoff durch radiogene Erhitzung in den Mutterkörpern über mehrere Millionen Jahre hinweg gebildet wurde. Das Fehlen dieses Materials lässt darauf schließen, dass die vom Asteroiden gesammelte Probe nie einer Hitze über 200 °C ausgesetzt war.
Die Untersuchung des Materials von Ryugu war nicht das erste und wahrscheinlich auch nicht das letzte Mal, dass Wissenschaftler das ALS nutzen, um Gestein aus dem All genauer unter die Lupe zu nehmen. Forscher nutzten das ALS bereits zur Analyse von Staubpartikeln des Kometen 81P/Wild 2, die 2006 von der NASA-Raumsonde Stardust eingesammelt wurden.
Sie fanden heraus, dass der Kometenstaub organisches Material enthielt. Dieses Material bestand aus stickstoff- und sauerstoffhaltigen chemischen Bindungen sowie aus organischen Stoffen, die denen ähnelten, die beim Asteroiden Ryugu und anderen chondritischen Meteoriten beobachtet wurden.
Diese Studien demonstrierten Werkzeuge und Techniken, die sich für die Analyse von Proben wie denen der NASA-Mission OSIRIS-REx als nützlich erwiesen haben. Diese Mission sammelte Proben vom Asteroiden Bennu. Im Herbst 2023 brachte sie sie zur Erde zurück. Die Agentur veröffentlichte kürzlich eine Musterkatalog für Wissenschaftler zum Studium.
Das ALS und andere Lichtquellen ermöglichen es uns, Linien von der frühesten Geschichte unseres Sonnensystems bis heute zu ziehen. Indem sie Licht auf die Objekte in unserem heutigen Sonnensystem werfen, können uns die Wissenschaftler und Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science eines Tages vielleicht dabei helfen, besser zu verstehen, wie die Erde bewohnbar wurde.