Tajemnice planetoidy
Meteoryty są posłańcami z otchłani czasu – oderwanymi fragmentami planetoid i komet, które uformowały się w pobliżu naszego Słońca z surowców powstałych przed naszą gwiazdą. Ale dostarczane przez nie wiadomości są często zniekształcone przez ich ostatnie spotkanie z Ziemią – rozdrobnione podczas przelotu przez atmosferę naszej planety i zanieczyszczone przez stale zmieniające się środowisko naszego globu. I w przeciwieństwie do typowej zagubionej poczty, nie mają adresu zwrotnego, który ujawniłby ich pochodzenie. Co by jednak się stało, gdyby naukowcy pragnący napisać historię najwcześniejszych dni naszego Układu Słonecznego mogli ominąć te problemy? Zamiast polegać wyłącznie na przypadkowych, fragmentarycznych rozdziałach kosmicznej historii zawartych w meteorytach, czy nie lepiej byłoby bezpośrednio odwiedzić najstarsze archiwa kosmosu – planetoidy i komety – i móc przeczytać pełne księgi geologiczne?
To właśnie zrobiła w 2020 roku wysłana przez NASA sonda kosmiczna OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explore; Pochodzenie, Analiza Widmowa, Identyfikacja Zasobów i Bezpieczeństwo – Badacz Regolitu), kiedy to opadła na powierzchnię bliskiej Ziemi planetoidy Bennu i pobrała kilka skał datowanych na co najmniej 4,5 mld lat. We wrześniu ubiegłego roku powróciła na Ziemię i dokonała zrzutu. Nie jest to pierwszy (ani drugi) statek kosmiczny, który włamał się do planetoidy, dostarczył jednak największą dotychczas próbkę: aż 121,6 g dziewiczego materiału z zarania Układu Słonecznego.
Niemal natychmiast po tym, jak kapsuła z próbką wylądowała na Ziemi, naukowcy rozpoczęli analizy kryminalistyczne i na początku tego roku zaprezentowali całemu światu swoje pierwsze szczegółowe ustalenia. Ich wyniki są dopiero wstępne, ale wydaje się, że pierwotny wygląd Bennu był szokująco znajomy. Miliardy lat temu Bennu była prawdopodobnie częścią nasączonego wodą świata, z bijącym geologicznym sercem i obfitością prebiotycznej materii organicznej, której obecnie już dawno tam nie ma. Pod wieloma względami ten bezimienny świat mógł przypominać wczesną, pozbawioną życia Ziemię. „W minerałach Bennu naprawdę znajdują się cegiełki życia” – mówi Louisa Preston, astrobiolożka z University College London.
Na bardziej konkretne wnioski trzeba jeszcze poczekać, ale już teraz wiadomo, że cenne fragmenty Bennu kryją w sobie ogromny potencjał. „Badając te próbki, staramy się zrozumieć, jak powstała Ziemia – nie tylko jej woda, nie tylko związki prebiotyczne, ale i sama planeta” – mówi Harold Connolly, geolog z Rowan University, który zajmuje się próbkami z misji OSIRIS-REx.
I nie chodzi tylko o naszą niebiesko-zieloną kulę. Z badań niektórych mikroskopijnych ziaren wynika, że odyseja Bennu rozpoczęła się, zanim na naszym Słońcu zapłonęły pierwsze ognie, co oznacza, iż planetolodzy mogą wykorzystać tę próbkę do udzielenia odpowiedzi na niektóre z najbardziej kluczowych pytań swojej dziedziny. „Jak wyglądała początkowa mineralogia Układu Słonecznego? Skąd pochodził ten pył? Czy powstał tylko w jednej gwieździe, czy w wielu generacjach gwiazd lub w różnych ich typach?” – zastanawia się Ashley King, meteorytolog z londyńskiego Natural History Museum i członek zespołu OSIRIS-REx. Dzięki śmiałemu rajdowi statku kosmicznego na zasoby Bennu, „możemy to wszystko razem zebrać” – mówi Connolly.
„Pochodzenie” w pełnej nazwie OSIRIS-REx odnosi się do genezy i historii Bennu jako przedstawiciela wszystkich innych planetoid bogatych w węgiel i wodę, które krążą wokół Słońca od kilku miliardów lat. To gigantyczne przedsięwzięcie. „Do tej pory przebadaliśmy 1% próbki” – mówi Connolly, ale ta ilość jest wystarczająca, aby rozpocząć testowanie hipotez zespołu na temat życia Bennu.
Kluczowe pytanie: co przyczyniło się do powstania pierwotnej (lub „macierzystej”) bryły Bennu? Wskazówki znajdują się w jego ziarnach – kryształach, które skondensowały, zanim uformowało się Słońce. „W zasadzie są to cegiełki używane do budowania naszego Układu Słonecznego” – mówi Pierre Haenecour, kosmochemik z University of Arizona i członek zespołu OSIRIS-REx. Do tej pory zidentyfikowano co najmniej dwie ogólne kategorie tych ziaren. Wiele z nich ma chemiczne sygnatury gwiazd o średniej i małej masie, znajdujących się na ostatnich etapach życia; takie gwiazdy w miarę starzenia się generują silne wiatry gwiazdowe, wyrzucając znaczną część swoich atmosfer w przestrzeń kosmiczną, tworząc obłoki gazu i pyłu, które mogą być ponownie wykorzystane przez nowo narodzone gwiazdy. Inne ziarna mogą mieć bardziej gwałtowne pochodzenie. „Mamy kilka ziaren, które wydają się mieć skład bardziej zgodny z tym, co znajdujemy w supernowych” – mówi Haenecour. W sumie te szczegóły potwierdzają dawne podejrzenie, że materia naszego Układu Słonecznego została wzbogacona przez eksplozje różnych pieców termojądrowych.
Niedługo po pojawieniu się naszego Słońca, dzięki jego grawitacji, zaczęły w jego pobliżu formować się nowe światy, w tym nieznane ciało macierzyste Bennu. Bennu istnieje dziś jako średniej wielkości planetoida na orbicie bliskiej Ziemi, ale naukowcy podejrzewają, że eony temu jego wypełniony wodą rodzic po raz pierwszy ukształtował się poza tak zwaną linią śniegu – nieostrą granicą, poza którą substancje lotne, takie jak woda, mogą zamarzać.
Nadal trwają dyskusje na temat tego, jak daleko od Ziemi uformował się protoświat Bennu. Jedna z hipotez zakłada, że nie znajdował się on w pasie planetoid między Marsem a Jowiszem, ale gdzieś dalej. Kluczem do sprawdzenia tej hipotezy będzie obecność w próbce (lub brak) różnych rodzajów lodu i ich pozostałości. Lód wodny może istnieć blisko Słońca, w tym w pasie planetoid, podczas gdy zamrożony tlenek węgla zaczyna parować w większej odległości od niego – gdzieś w okolicach orbity Neptuna.
Fakt znalezienia w próbce różnych aktywnych związków chemicznych „wspiera hipotezę o pochodzeniu obiektu z zewnętrznego Układu Słonecznego” – mówi Kelly Miller, kosmochemiczka z Southwest Research Institute w San Antonio w Teksasie. Co ciekawe, na konferencji ogłoszono również wykrycie odrobiny amoniaku, który jest substancją niezwykle lotną. Może on mieć związek z materią organiczną planetoidy, jeśli jednak pochodzi on z amoniakalnego lodu, oznaczałoby to, że – jak mówi Connolly – „[ciało macierzyste Bennu] powstało jeszcze dalej w zewnętrznym Układzie Słonecznym”, być może w sferze lodowych gigantów (Urana i Neptuna) lub nawet poza nią.
Niezależnie od tego, gdzie uformowało się ciało macierzyste Bennu, z pewnością nie pozostawało ono w zastoju. W próbce znajdują się minerały będące wyraźnymi oznakami dynamicznych przemian, takich jak nasycanie ciekłą wodą lub nawet odparowywanie części tej wody, co skutkowało powstawaniem soli. „W Bennu dominują materiały przetworzone przez wodę” – mówi Sara Russell, planetolożka z londyńskiego Natural History Museum i członek zespołu OSIRIS-REx.
Chociaż woda nie była bardzo gorąca, z pewnością musiała być ciepła, a jej skład mógł ewoluować w czasie. Sugeruje to, że w wyniku topnienia lodu powstało wiele systemów hydrotermalnych. Lód ten topił się przynajmniej przez kilka milionów lat, ponieważ ciało macierzyste miało ciepłe jądro geologiczne ogrzewane przez rozpad izotopów promieniotwórczych. Connolly uważa, że z informacji tych wynika, iż prekursor Bennu miał co najmniej 10 km średnicy, a być może nawet więcej.
„To piękna próbka – mówi Russell. – I nie przypomina ona żadnego innego meteorytu z naszej kolekcji”. Na razie wygląda na to, że nie znaleziono niczego innego, co byłoby podobne do Bennu. Sprawia to, że interpretacja jego składu mineralnego jest zadaniem kłopotliwym. W szczególności jeden aspekt wywołuje intensywną debatę.
W lutym zespół misji poinformował o zaskakującej obecności fosforanów w próbce. Pod lodowym pancerzem księżyca Saturna, Enceladusa, który jest geologicznie burzliwą kulą, znajduje się ciepły ocean ciekłej wody, zawierający wiele składników niezbędnych do życia, w tym związki fosforu. Po znalezieniu fosforanów w próbce Bennu, główny badacz OSIRIS-REx Dante Lauretta spekulował, że planetoida „może być fragmentem pradawnego ciała mającego ocean”.
„Nie jestem jeszcze tego pewien, ponieważ nie wyodrębniliśmy dotąd wystarczającej ilości danych petrologicznych i petrograficznych, by złożyć tę historię w całość” – mówi Connolly. Ale na Bennu znajdują się oznaki wskazujące na zaskakującą aktywność geologiczną. Connolly wyjaśnia, że jeden z typów skał zaobserwowanych przez sondę na Bennu wygląda „jak kalafior” – rozbity, zgnieciony zlepek skał wypełnionych osadami, „który zwykle tworzy się w strefach subdukcji”, podobnych do występujących na obrzeżach ziemskich kontynentów i w głębokich basenach morskich. Myśl o tym, że na prekursorze Bennu dochodziło do ruchów i wstrząsów tektonicznych, takich jak na Ziemi, jest co najmniej kusząca. Skały te są jednak chaotyczne i trudno je rozszyfrować. „Nie oznacza to jeszcze, że ciało macierzyste było aktywne tektonicznie” – twierdzi Connolly.
Obecnie większość naukowców wyobraża je sobie nie jako geologicznie hiperaktywny glob, ale raczej jako zalaną wodą skałę o dynamicznej młodości. „Lubię myśleć o niej jako o dużej kuli błota” – mówi King.
Ta kula błota ostatecznie trafiła do pasa planetoid być może po tym, jak grawitacyjne przyciąganie Jowisza wyrwało ją z odleglejszej orbity. Jedna z roboczych hipotez zakłada, że po około 3 mld lat ciało macierzyste zostało zniszczone w wyniku katastrofalnej kolizji, podczas której oderwał się odłamek. Przedostał się on w przestrzeń kosmiczną bliską Ziemi, a obecnie nazywamy go Bennu. Ta wewnętrzna migracja odbyła się w trakcie kluczowego rozdziału w historii Układu Słonecznego: dostarczania na skaliste globy wody i prebiotycznego materiału organicznego – wykorzystywanych przez biologię związków opartych na węglu.
„Skąd wzięła się woda na Ziemi, to problem badany od lat” – mówi Richard Binzel, ekspert od planetoid z Massachusetts Institute of Technology i naukowiec z zespołu OSIRIS-REx. „Przez długi czas myśleliśmy, że dostarczyły ją komety, ponieważ są to najbogatsze w wodę obiekty, jakie znamy”. Jednak w ostatnich latach analizy lodu z różnych komet ujawniły, że jego chemiczne sygnatury są zupełnie inne niż wody wypełniającej ziemskie oceany.
I odwrotnie, woda znajdowana w miriadach wilgotnych meteorytów jest znacznie bardziej zbliżona do wody naszej planety. A co z Bennu? Do ujawnienia tej informacji pozostało jeszcze trochę czasu, ale nawet jeżeli na Bennu znajduje się woda podobna do ziemskiej, nie uzyskamy ostatecznej odpowiedzi na to odwieczne pytanie – woda z ziemskich mórz i oceanów została prawdopodobnie pozyskana z różnych źródeł w kosmosie. Możliwe jest również, że planetoidy nie miały wpływu na jej powstanie; wody ziemskich oceanów mogły znajdować się wewnątrz planety w trakcie jej formowania, po czym wydostały się na powierzchnię za sprawą pradawnego wulkanizmu.
Dalej mamy związki organiczne. „To chemia dała początek biologii” – mówi Preston. Nawet w niezwykle mało prawdopodobnym przypadku, gdyby próbka OSIRIS-REx zawierała skamieniałe obce mikroorganizmy, Bennu nie dostarczy żadnych konkretnych odpowiedzi na pytanie, jak powstało życie na Ziemi. Jednakże życie nie mogłoby w ogóle istnieć bez wielu związków zawierających węgiel, takich jak aminokwasy. Jedna z hipotez zakłada, że powstały one w przestrzeni międzygwiazdowej, po czym planetoidy takie jak Bennu przeniosły je na naszą planetę.
„Wiemy [że planetoidy] mogły dostarczyć takie rzeczy na Ziemię, ale kolejnym kluczowym krokiem będzie odpowiedź na pytanie: w jaki sposób przekształciły się one w życie? Aby móc udzielić odpowiedzi, musimy mieć wiedzę na ten temat” – mówi King. Zespół zidentyfikował już długą listę cząsteczek organicznych obecnych w próbce, w tym zestaw aminokwasów. „Znaleziono nawet uracyl i tyminę. Uracyl jest jedną z czterech zasad występujących w RNA, który w DNA jest zastąpiony przez tyminę” – wyjaśnia Preston. Niektóre z tych niezbędnych do życia substancji mają również pierwotne pochodzenie. „Bennu zawiera materię organiczną, która uformowała się w ośrodku międzygwiazdowym” – stwierdziła podczas konferencji Ann Nguyen, planetolożka z NASA i współpracowniczka zespołu OSIRIS-REx.
Nie wszyscy astrobiolodzy są zafiksowani na punkcie aminokwasów. „Jestem do pewnego stopnia heretykiem” – mówi Cole Mathis, astrobiolog z Arizona State University, który nie jest szczególnie zainteresowany obfitością materii organicznej na Bennu. Uważa on, że „wytworzenie aminokwasów nie jest trudne”. Jeśli połączymy azot, węgiel i tlen, „powstanie tych związków jest mniej lub bardziej nieuniknione”. Planetoidy mogły dostarczyć je na Ziemię, ale – podobnie jak woda – związki te z łatwością mogły powstać na Ziemi i niepotrzebna była dostawa przez obiekt podobny do Bennu.
Mathis pragnie wykorzystać Bennu do zbadania granicy między chemią a biologią. „Istnieją pewne cząsteczki, które są tak złożone, że tylko życie mogło je stworzyć” – mówi, podając jako przykład witaminę B12. Nie spodziewa się, że coś podobnego zostanie wykryte w próbce, chce jednak się dowiedzieć, które cząsteczki mogą być wytwarzane zarówno przez życie, jak i przez chemię abiotyczną, a które powstają tylko dzięki życiu. „Gdzie dokładnie znajduje się ta granica?” – pyta. Ma nadzieję, że Bennu dostarczy wskazówek, gdzie ona leży – ponieważ im bardziej wymyślny jest związek organiczny, tym trudniej go wytworzyć samej chemii. Badanie Mathisa nie dotyczy więc ilości, ale złożoności chemicznej: „jaka jest najbardziej złożona pojedyncza cząsteczka, jaką możemy znaleźć w tym materiale?”.
Odpowiedzi na to i wiele innych pytań już nadchodzą. Są one ukryte w małym woreczku z dziewiczą materią z planetoidy, która czeka na przebadanie. Koszt sprowadzenia tych ziaren na naszą planetę wyniósł 1,2 mld dolarów, ale w rzeczywistości są one bezcenne, ponieważ mogą nadać kontekst słynnemu aforyzmowi: „wszyscy jesteśmy gwiezdnym pyłem”. Naukowcy zaczynają teraz poznawać naturę i pochodzenie tego gwiezdnego pyłu – materiału, z którego powstało wszystko, co widzimy, w tym Ziemia i my sami.
Nadzieje były duże, gdy OSIRIS-REx pobrał próbkę z Bennu. Dotychczasowe odkrycia już je przerosły. „Wszechświat się do nas uśmiechnął” – mówi Connolly.
***
Robin George Andrews jest wulkanologiem i publicystą popularnonaukowym mieszkającym w Londynie. Jego pierwsza książka, Super Volcanoes, została opublikowana w listopadzie 2021 roku (polskie tłumaczenie Superwulkany zostało wydane przez Bo.wiem), a kolejna, How to Kill an Asteroid, ukaże się jeszcze w tym roku (obie wydane przez W. W. Norton). Na X @SquigglyVolcano