Hayabusa – ionmotor

Romsonde avleverer fragmenter av asteroide

Etter en tur på mer enn fem milliarder kilometer har romsonden Hayabusa-2 avlevert sin kostbare last – en kapsel med støv like gammelt som selve solsystemet. Støvet skal nå avsløre hvordan livets byggesteiner havnet på jorden.

Etter en tur på mer enn fem milliarder kilometer har romsonden Hayabusa-2 avlevert sin kostbare last – en kapsel med støv like gammelt som selve solsystemet. Støvet skal nå avsløre hvordan livets byggesteiner havnet på jorden.

DLR German Aerospace Center

Hayabusa er det japanske ordet for falk, og romsonden Hayabusa-2 – som virkelig er en vandrefalk – kunne 6. desember 2020 avlevere byttet sitt. Jubelen kunne høres verden over.

Etter en reise på over fem milliarder kilometer til asteroiden Ryugu og hjem igjen sendte Hayabusa-2 en kapsel med eldgammelt støv gjennom atmosfæren.

Støvet skriver seg helt fra den gangen solsystemet ble dannet, og det er skutt løs fra Ryugus overflate med prosjektiler.

Nå kan forskerne for første gang undersøke bruddstykker av det opprinnelige solsystemet og blant annet avsløre sammensetningen av de asteroidene som ifølge den nyeste forskningen brakte vannet og livets organiske byggesteiner til den nyfødte jorden.

Meteoritter er for ødelagte

Hittil har astronomene først og fremst fått ny viten om asteroider ved å undersøke de fragmentene som jevnlig faller til jorden som meteoritter.

Men meteorittene inneholder sjelden opprinnelig, uskadd materiale fra solsystemets fødsel. På veien gjennom atmosfæren gjennomgår meteorittene en voldsom oppvarming, og når de lander, ligger de ofte utsatt for vind og vær i århundrer før de blir funnet – og alt dette ødelegger de opprinnelige trekkene.

Asteroider som går i bane i området mellom jorden og Jupiter, er derimot stort sett uendret siden de ble samlet av støvkorn i solsystemets første hundre millioner år.

For å få fatt i de opprinnelige byggesteinene er det derfor nødvendig å reise ut til asteroidene og hente prøver fra dem. Derfor sendte japanerne i 2003 av sted den første Hayabusa-sonden – ut mot steinasteroiden Itokawa.

Den første Hayabusa-sonden brakte i 2010 hjem en mikroskopisk prøve av steinasteroiden Itokawa som minner om de smeltede og omgjorte steinmassene i jordens indre. Nå har Hayabusa-2 tatt prøver av karbonasteroiden Ryugu, som har bevart solsystemets tidligste historie.

Frostgrænse-01-Livets-byggesten-er-landet
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Frostgrense delte solsystemet

I det unge solsystemet oppsto to typer forløpere for planeter, de såkalte protoplanetene. Hva de besto av, ble avgjort av en frostgrense. Det bestemte om for eksempel vann fordampet eller ble bevart i form av is.

Frostgrænse-02-Livets-byggesten-er-landet
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Varme slettet tidlig historie

Nær solen ble protoplanetene oppvarmet av sollys utenfra og radioaktiv nedbryting innenfra. De smeltet og dannet metallkjerner omgitt av stein. Kjernene ble senere til metallasteroider og mantlene til steinasteroider som Itokawa.

frostgræne-03-Livets-byggesten-er-landet
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kulde bevarte byggemateriale

Lenger fra solen kunne protoplanetene sende ut varmen i det iskalde verdensrommet og unngikk derfor å smelte. Asteroider som Ryugu er rester av slike protoplaneter og inneholder derfor uforandret byggemateriale fra det unge solsystemet.

Steinasteroider oppsto i solsystemets barndom, da forløperne for de nåværende planetene, såkalte protoplaneter, smeltet sammen og dannet en metallkjerne omgitt av en mantel av flytende steinmasse. Noen av protoplanetene ble til planeter, mens andre ble ødelagt ved sammenstøt som gjorde mantelen om til steinasteroider.

Da Hayabusa i 2010 vendte tilbake til jorden med 1500 mikroskopiske asteroidepartikler om bord, bekreftet analyser at steinasteroider er sammensatt av de samme mineralene som jordens mantel. Men samtidig innså forskerne at steinasteroider som Itokawa er knusktørre og derfor neppe har forsynt jorden med vann.

Fjerne asteroider tok med liv

For å finne opphavet til jordens hav kastet den japanske romorganisasjonen JAXA i stedet blikket på karbonasteroider, en type som sannsynligvis har levert både vann og organiske stoffer.

Karbonasteroider er ekstra interessante for astronomene fordi asteroidene stammer fra planetemner som er dannet langt ute i de kalde delene av solsystemet. Her smeltet ikke protoplanetene, og derfor er materiale fra solsystemets opprinnelse bevart i de fjerne asteroidene.

Til den neste asteroideferden siktet japanerne derfor etter den diamantformede karbonasteroiden Ryugu. I 2014 ble sonden Hayabusa-2 sendt opp, og fire år senere gikk den i bane rundt målet.

Hayabusa – ionmotor
  1. januar 2021 skrudde Hayabusa-2 på ion-motorene sine og innledet en ny tiårig romreise. Første stopp er i 2026, når sonden ankommer steinasteroiden 2001 CC21.
© DLR German Aerospace Center

Det ble raskt klart at Ryugu er en porøs ansamling av små og store steiner som først og fremst holdes sammen av tyngdekraften.

Målinger viste dessuten at Ryugu inneholder store mengder organiske karbonforbindelser. I dag er asteroidens overflate blottet for vann, men instrumentene til Hayabusa-2 registrerte mineraler som inneholder hydroksid, som består av et oksygenatom og et hydrogenatom.

Hydroksidholdige mineraler felles typisk ut i vann, og funnet tyder på at Ryugu eller den protoplaneten asteroiden opprinnelig var en del av, har inneholdt vann eller is.

Etter å ha gjennomanalysert asteroiden på avstand skjøt Hayabusa-2 et to kilo tungt kobberprosjektil ned i asteroidens overflate for å blottlegge opprinnelig og uforandret asteroidestøv.

To karbonasteroider ble undersøkt på to ulike måter av to ulike sonder. Hayabusa-2 beskjøt asteroiden Ryugu for å hente støv fra solsystemets fødsel, mens OSIRIS-REx samlet opp en stor prøve fra Bennu ved hjelp av en strøm av gass.

Hayabusa-2
© JAXA

1. Prosjektil blottlegger støv

Hayabusa-2 beskyter Ryugu med et to kilo tungt kobberprosjektil for å blottlegge støv fra asteroidens indre. Deretter avfyrer sonden et mindre prosjektil som virvler opp 5,4 gram støv i en beholder i sondens prøvearm.

OSIRIS-REx – Bennu
© University of Arizona/Goddard/NASA

2. Gasstrøm overfyller prøvekammer

OSIRIS-REx lander på Bennu, der prøvearmen sender ut en strøm av gass som virvler støv opp i en beholder. Mengden av astroidestøv er så stor at lokket ikke kan lukke seg helt fordi noen gruspartikler sitter i klemme.

Noen uker senere dykket sonden ned over krateret og svevde over det som et helikopter mens en prøvearm ble senket ned til kraterbunnen. Armen avfyrte et lite prosjektil som virvlet støv opp i en prøvebeholder.

Etter at beholderen var forseglet og igjen stuet om bord på Hayabusa-2, gikk turen tilbake mot jorden.

Halvannet år etter nærkontakten med asteroiden dalte kapselen med beholderen ned i Australias ødemark – til stor jubel. Og jubelen ble bare større da forskerne åpnet prøvekammeret og oppdaget at det inneholdt gass fra Ryugu og 5,4 gram opprinnelig asteroidestøv – fem ganger så mye som forventet.

Forskerne kan nå undersøke en helt uforandret prøve av den skyen av støv og gass omkring solen som dannet de fire indre steinplanetene.

Og prøven fra Ryugu kommer ikke til å stå alene.

Vann strømmet gjennom Bennu

I 2017 sendte Nasa opp sonden OSIRIS-REx, og i desember 2018 gikk den i bane rundt karbonasteroiden Bennu.

Akkurat som Ryugu er Bennu en løst sammensatt kule av grus og stein.

Missilsonde skal dytte asteroide ut av kurs

© JHUAPL/NASA

For øyeblikket beveger 22 000 asteroider seg i baner som truer jorden – og Bennu er en av dem. Les mer om trusselen fra verdensrommet og hvordan vi avverger den her.

Forskerne hadde regnet med at overflaten var relativt jevn, men observasjonene avslørte raskt at asteroiden er dekket av store, porøse kampesteiner med tverrsnitt på opptil 16 meter.

Nettopp de store steinene viste seg å romme et avgjørende bevis for at Bennu, eller den protoplaneten som asteroiden er slått løs fra, for lenge siden var gjennomstrømmet av store mengder vann. På mange av steinene fotograferte satellitten nemlig lyse striper som var opptil 1,5 meter lange og 14 centimeter brede.

OSIRIS-REx stribe Bennu

De hvite stripene av karbonater på Bennus overflate er sannsynligvis avleiret av flytende vann i den protoplaneten Bennu var del av, for 4,5 milliarder år siden.

© University of Arizona/Goddard/NASA

Stripene består av karbonholdige mineraler som kalles karbonater, og som felles ut i flytende vann, og siden Bennu samtidig er spekket med organiske karbonforbindelser – i enda høyere grad enn Ryugu – styrker observasjonene teorien om at nedslag av karbonasteroider i jordens barndom fylte havene med vann og brakte livets byggesteiner til kloden.

Sonde var for grådig

Kampesteinene var imidlertid et problem for Nasas ambisiøse plan om å hente hjem en stor prøve på 60–2000 gram asteroidestøv, for OSIRIS-REx var laget for å lande på en jevn flate på 2000 kvadratmeter, men det best egnede stedet var på bare 100 kvadratmeter.

OSIRIS-REx – landing på Bennu

OSIRIS-REx var designet til å lande på en jevn flate på 2000 m2. Men Bennu var dekket av store kampesteiner, og det best egnede landingsstedet viste seg å være bare 100 m2 stort.

© University of Arizona/Goddard/NASA

Så Nasas romingeniører var lettet da landingen gikk perfekt. Men dramaet hadde bare så vidt begynt.

OSIRIS-REx berørte bare Bennu i seks sekunder, mens prøvearmen ble banket ned i overflaten og sendte ut en strøm av nitrogengass som virvlet støv og grus inn i en beholder.

Deretter lettet satellitten og sendte en video av prøvetakingen til kontrollsenteret. På grunn av avstanden på 334 millioner kilometer ankom bildene først 18,5 minutter senere. Da oppdaget forskerne til sin skrekk at fem småsteiner satt i klemme i det tynne folielokket som skulle forsegle prøvekammeret.

Risikoen for at alt asteroidestøvet kunne bli ristet ut av beholderen igjen, var overhengende.

Nasa avlyste øyeblikkelig planene om å sende OSIRIS-REx i flere runder rundt Bennu og lot i stedet sonden drive videre ut i verdensrommet uten kursendringer for å unngå unødige rystelser. Imens ble en byge av ulidelig langsomme radiosignaler utvekslet mellom sonden og kontrollsenteret.

Først etter tre nervepirrende døgn var prøvebeholderen og det dyrebare innholdet under lås og slå i en større beholder som skal transportere asteroidestøvet til jorden. Nasa mener at den inneholder minst 400 gram – altså 80 ganger så mye som Hayabusa-2 brakte ned til jorden.

OSIRIS-REx innledet hjemreisen i mars 2020 og vil etter planen avlevere beholderen med asteroidestøvet i Utah 24. september 2023.

Jakt på aminosyrer i støvet

Imens fortsetter analysene av prøven fra Ryugu. JAXAs første målinger har bekreftet at gassen i beholderen kommer fra asteroidestøvet og dermed stammer fra solsystemets fødsel.

I løpet av 2021 fordeles halvparten av støvet på seks forskergrupper, først og fremst i Japan og USA, mens den andre halvparten lagres for framtiden, siden nye analysemetoder sannsynligvis vil kunne trekke enda mer informasjon ut av støvkornene.

Forskergruppene skal først og fremst finne ut hvordan organiske forbindelser basert på karbon, svovel og nitrogen har reagert med hverandre i karbonasteroidene, og om de har dannet aminosyrer eller andre komplekse molekyler.

Aminosyrer er byggeklossene i proteiner og enzymer, som utfører alle de biokjemiske prosessene i levende celler – for eksempel syntese av DNA.

Hayabusa – prøvekammer – støv

Prøvekammeret til Hayabusa-2 inneholdt 5,4 gram støv fra asteroiden. For første gang kan forskerne nå undersøke en prøve av den opprinnelige skyen av støv og gass som skapte solsystemets fire indre steinplaneter.

© JAXA

Når OSIRIS-REx bringer prøven fra Bennu til jorden, blir det mulig å sammenligne de to prøvene og kanskje få en forklaring på hvorfor Bennu både har inneholdt mer vann og inneholder større mengder organiske karbonforbindelser enn Ryugu. Forskerne forventer at resultatene en gang for alle kan avgjøre om nedslag av karbonasteroider banet vei for livets mirakel på jorden.

«Vårt endelige mål er å oppklare hvordan organiske stoffer dannes i verdensrommet, og å forstå den organiske syntesen som fant sted i asteroider i solsystemets barndom», sier Hiroshi Naraoka i JAXA.

Mens den japanske falken, Hayabusa-2, for lengst har lagt jorden bak seg og fortsetter asteroideferden, gjør Nasa seg klare til å besøke en mystisk gruppe asteroider langt, langt unna.

Nasa sikter mot fjerne asteroider

Lucy Asteroide
© Southwest Research Institute

Neste mål for Nasas asteroidejegere ligger langt fra jorden. De neste årene sendes det opp sonder som skal undersøke byggematerialet omkring Jupiter og besøke den gigantiske jernklumpen Psyche. Les mer her.