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研究人员使用μ子束分析小行星Ryugu样品的元素组成

从小行星Ryugu带回地球的石头样本已经使用来自J-PARC的粒子加速器的人工产生的μ子束分析了它们的元素组成。研究人员发现了许多维持生命所需的重要元素,包括碳、氮和氧,但还发现小行星Ryugu中相对于硅的氧丰度与地球上发现的所有陨石不同,据《科学》杂志的一项新研究报道.

2014年,无人小行星探索者隼鸟2号由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发射到太空,其任务是带回小行星Ryugu的样本,研究人员认为这是一颗C型小行星,富含碳。在成功登陆龙宫并采集样本后,隼鸟2号于2020年12月带着完整的样本返回地球。

自2021年以来,研究人员一直在对样本进行首次分析,由东京大学教授ShogoTachibana领导。分成几个小组,研究人员一直在以不同的方式研究样品,包括石头形状、元素分布和矿物成分。

Nagasawa领导,与高能加速器研究组织合作(KEK)材料结构科学研究所、大阪大学、日本原子能机构(JAEA)、京都大学、国际基督教大学、宇宙航空科学研究所(ISAS)和东北大学,已经应用了使用负μ子的元素分析方法,J-PARC加速器产生的基本粒子。

他们将使用负μ子的元素分析方法应用于小行星Ryugu的石头,成功地无损确定了它们的元素组成。

这很重要,因为如果太阳系中的小行星是在太阳系本身形成之初建造的,那么它们仍然会隐瞒当时平均元素组成的信息,因此也会隐瞒整个太阳系的信息。

过去曾对坠落地球的陨石进行过分析,但这些样本可能已被地球大气污染。因此,在隼鸟2号之前,没有人确切知道小行星的化学成分是什么。

但研究人员面临挑战。由于样本数量有限且有大量其他研究人员想要研究它们,他们需要找到一种方法来进行分析而不损坏它们,以便将样本传递给其他组。

该团队开发了一种新方法,该方法涉及发射由位于日本茨城县的世界上最大的高能粒子加速器J-PARC产生的量子束,或者特别是负μ子束,以识别敏感样品而不破坏它们。

Takahashi和Nagasawa随后在X射线天文学和粒子物理实验中应用统计分析技术来分析μ子特征X射线。

μ子是宇宙中的基本粒子之一。它们比X射线更深入地穿透材料的能力使它们成为材料分析的理想选择。当辐照样品捕获负μ子时,形成μ子原子。从新的μ子原子发射的μ子X射线具有高能量,因此可以以高灵敏度检测。该方法用于分析Ryugu样品。

但还有另一个挑战。为了防止样品被地球大气污染,研究人员需要使样品不与空气中的氧气和水接触。因此,他们必须开发一种实验装置,将样品装入氦气室。腔室的内壁衬有纯铜,以在分析样品时将背景噪音降至最低。

2021年6月,0.1克Ryugu小行星被带入J-PARC,研究人员进行了μ子X射线分析,产生了能谱。在其中,他们发现了产生生命所需的元素碳、氮和氧,但他们也发现样本的成分类似于碳质球粒陨石(CIchondrite)小行星,这些小行星通常被称为固体物质的标准在太阳系中。这表明Ryugu石头是我们太阳系中形成的最早的石头。

然而,虽然成分与CI球粒陨石相似,但Ryugu样品相对于硅的氧丰度比CI球粒陨石低约25%。研究人员表示,这可能表明CI球粒陨石中相对于硅的过量氧丰度可能来自它们进入地球大气层后的污染。龙宫石可以为太阳系中的物质设定新标准。

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