Ursprung des Asteroiden Ryugu durch Karbonate entschlüsselt
16/08/23 11:30
Im Jahr 2019 schickte die Japanische Raumfahrtagentur (JAXA) die Raumsonde Hayabusa2 zum Asteroiden 162173 Ryugu, der sich in der Umlaufbahn der Erde befindet. Dieser Asteroid besteht aus Bruchstücken von Gestein, die einst Teil eines größeren Körpers waren. Mit Hilfe von mehreren Rovern wurden Proben von der Oberfläche des Asteroiden gesammelt und zurück zur Erde gebracht, um von Wissenschaftlern untersucht zu werden. Dies ermöglicht uns tiefe Einblicke in die Geheimnisse und Ursprünge dieses faszinierenden Himmelskörpers.
Die entnommenen Proben liefern Hinweise auf chemisch primitive Meteoriten, die den Ivuna-Chondriten ähneln. In diesen Proben wurden spezifische chemische Verbindungen nachgewiesen, die auf das Vorhandensein von Wasser hinweisen. Besonders interessant sind die Veränderungen auf der Oberfläche des Asteroiden durch Einwirkung von Wasser auf dem Mutterkörper, selbst bei geschätzten Temperaturen von bis zu 150°C. Diese Veränderungen führten zur Bildung von Sekundärmineralien wie Phyllosilikaten, Carbonaten, Sulfiden und Oxiden. Die Forscher hatten das Ziel, den Zeitrahmen und die Bedingungen zu ergründen, unter denen diese chemischen Veränderungen stattfanden.
In einer gemeinsamen Studie von 89 Wissenschaftlern aus verschiedenen Universitäten und Forschungsinstituten weltweit, die in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, wurde die Entstehung des Asteroiden genauer untersucht. Dabei lag der Fokus auf zwei spezifischen chemischen Verbindungen: Calciumcarbonat (Calcit) und Calcium-Magnesium-Carbonat (Dolomit). Es wird vermutet, dass die Kohlenstoffquelle für diese Carbonate aus Bestandteilen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder organischer Materie stammt, die möglicherweise im Sonnennebel entstanden sind, der die Ursprungswolke des gesamten Sonnensystems bildete.
Um diese Erkenntnisse zu gewinnen, wurden die Proben mit hochspezialisierten Mikroskopen für die Petrologie, also die Gesteinsuntersuchung, analysiert. Dabei wurden Kristalle von Calcit (mit einer Größe von weniger als 10 Mikrometern) und Dolomit (im Bereich von Zehner-Mikrometern) identifiziert. Besonders interessant ist, dass Dolomit in diesen Proben dominiert, was auf wichtige geologische Prozesse hindeutet.
Durch die Analyse der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope (verschiedene Varianten desselben Elements mit unterschiedlichen Atomgewichten) konnte das Forschungsteam Informationen über die Temperatur- und Sauerstoffbedingungen während der Ablagerung des Minerals gewinnen. Diese Werte wichen signifikant von den auf der Erde gefundenen Calcit-Werten ab, wobei die 18O/16O-Verhältnisse um 24-46‰ (Teile pro Tausend) höher und die 13C/12C-Verhältnisse um 65-108‰ höher waren.
Im Gegensatz dazu waren die Dolomit-Werte deutlich begrenzter, mit 18O/16O-Verhältnissen von 31-36‰ und 13C/12C-Verhältnissen von 67-75‰. Aus diesen Messungen schließt das Forschungsteam, dass Calcit auf dem Asteroiden unter einer breiten Spanne von Temperaturen und Sauerstoffbedingungen entstand, bevor Dolomit in einer engeren Umgebung kristallisierte. Dies geschah bei stabilen Kohlendioxidwerten und geschätzten Temperaturen von 37 ± 10°C. Diese Erkenntnisse sind einzigartig für die Asteroiden Ryugu und Ivuna und wurden bisher in anderen hydrierten Meteoriten nicht gefunden.
Die breitere Variation der Sauerstoffisotope in den Calcitkristallen wird zum Teil auf unterschiedliche Bildungstemperaturen von 0-150°C zurückgeführt, aber nicht nur darauf, da sonst eine positive Korrelation zwischen den Kohlenstoffisotopen zu erwarten wäre, die jedoch nicht gegeben ist. Stattdessen zeigen die Forscher, dass sich die 18O/16O-Verhältnisse des Wassers und die 13C/12C-Verhältnisse der Carbonationen im Laufe der Zeit und des Raums verändert haben.
Daraus leiten sie die Hypothese ab, dass die 18O/16O-Verhältnisse während der frühen Bildung des Sonnensystems höher waren, bevor der Asteroid wässrigen Veränderungen unterlag. Im Laufe der Zeit nahm dieser Wert ab, da mehr Kristalle durch Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein gebildet wurden. Der Unterschied in den Isotopenverhältnissen zwischen Calcit- und Dolomitkristallen wird dadurch erklärt, dass Calcit aus weniger "entwickelten" Flüssigkeiten kristallisierte, bevor Dolomit entstand. Zudem konnte Calcium leichter aus dem Gestein gelöst werden als Magnesium.
Es gibt vier mögliche Szenarien, die die Schwankungen in den 13C/12C-Verhältnissen erklären könnten: 1) Eine Art Rayleigh-Isotopenfraktionierung, bei der bevorzugt 12C-reiche Verbindungen freigesetzt werden, wie zum Beispiel Methan. 2) Fraktionierte Kristallisation, bei der die Bildung früher Carbonate die Zusammensetzung des verbleibenden Reservoirs ändert, aus dem später Carbonate kristallisieren können. 3) Die Vermischung mehrerer Kohlenstoff-Reservoire mit unterschiedlichen 13C/12C-Verhältnissen. 4) Variationen in den Sauerstoff- und Wasserstoffwerten, die Veränderungen in den Isotopen bei der Bildung von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan verursachen, aus denen Kohlenstoff für die Kristalle gewonnen wird.
Von diesen Szenarien wird die Rayleigh-Isotopenfraktionierung ausgeschlossen, da sie höhere 13C/12C-Verhältnisse in Dolomit erzeugen würde, was nicht mit den beobachteten Proben übereinstimmt. Ebenso werden die fraktionierte Kristallisation und die Vermischung von Kohlenstoff-Reservoiren ausgeschlossen, da die Zeiten für solche Prozesse auf dem Ryugu-Asteroiden zu kurz wären.
Deshalb wird das letztere Szenario, nämlich die variierenden Sauerstoffwerte, als Hauptursache für die Veränderungen in den 13C/12C-Verhältnissen angesehen. Diese Veränderungen wurden durch die Oxidation von Eisen im Gestein durch Wasser verursacht und können anhand der Freisetzung von Wasserstoff aus dem Wasser gemessen werden. Diese Hypothese stimmt mit Beobachtungen von zunehmendem Eisen im Meteoriten und fortschreitender Veränderung überein.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine 13C-reiche Umgebung im Sonnensystem jenseits von Carbonaten in Meteoriten selten ist. Das Forschungsteam schlägt vor, dass der Mutterkörper des Ryugu-Meteoriten in einem kälteren Bereich des Sonnennebels entstanden ist.
