isotoopit

Maan vesi on Kuutakin vanhempaa

To, 03/29/2018 - 10:47 By Markus Hotakainen

Vallitsevan käsityksen mukaan Kuu syntyi, kun muotoutumassa olleeseen Maahan törmäsi suunnilleen Marsin kokoinen kappale. Teoria on nyt saanut lisävahvistusta ja samalla alkaa selvitä Maan veden alkuperä.

Ennen kuulentoja Kuun synnylle oli kolme teoriaa. Se olisi irronnut vinhaan pyörivästä Maasta, se olisi Maan sieppaama kappale tai se olisi syntynyt samaan aikaan Maan kanssa samasta Aurinkoa ympäröineen kaasu- ja pölypilven tihentymästä.

Kun astronauttien Kuun pinnalta keräämät kivet saatiin laboratorioihin, kävi ilmi, että mikään näistä teoriasta ei pidä paikkaansa.

Tutkijat kehittivät uusien tietojen pohjalta hypoteesin, jonka mukaan muinaisen Maan ja vähän pienemmän kappaleen törmäys sinkosi avaruuteen ainetta, josta osa jäi Maata kiertävälle radalle ja kasautui lopulta Kuuksi.

Ongelmana on ollut se, että Maan ja Kuun koostumuksissa on kuitenkin sekä yhtäläisyyksiä että eroja. Jos nuoren Maan ja törmänneen kappaleen koostumukset ovat olleet hyvin erilaiset – kuten Aurinkokunnan planeettojen nykykuosin perusteella voisi olettaa – miksi Maa ja Kuu eivät ole yhtä lailla selvästi toisistaan poikkeavat.

Tutkijat ovat ratkaisseet ongelman olettamalla törmäyksen olleen niin raju, että kappaleiden aineet sekoittuivat lähes täydellisesti, jolloin ruhjoutuneen Maan ja avaruuteen sinkoutuneen materian koostumukset olivat jokseenkin identtiset. Nykyisin havaittavat erot Maan ja Kuun välillä olisivat seurausta myöhemmästä asteroidipommituksesta.

Richard Greenwoodin johtama ryhmä on tutkinut hapen isotooppijakaumia sekä Kuusta tuoduissa että Maasta kerätyissä näytteissä. Kuun kivissä ja Maan oliviinimineraalissa eroa ei käytännössä ole, mutta kuukivien ja meikäläisten basalttien välillä havaittiin hapen isotooppien pitoisuuksissa muutaman miljoonasosan suuruisia eroja.

Tutkijoiden mukaan havainto tukee käsitystä, että törmäyksen aiheuttama aineen sekoittuminen oli lähes täydellistä. Mitatut erot selittyisivät "loppusilauksella" (late veneer), myöhemmin Maahan osuneiden asteroidien ja meteoriittien tuomalla aineksella.

Isotooppimittausten tulokset viittaavat myös siihen, että suuri osa Maan vedestä oli planeetallamme jo ennen törmäystä, jonka seurauksena Kuu syntyi. Aiemmin on arveltu, että valtaosa vedestä olisi tullut "jälkitoimituksena" Maahan osuneiden vesipitoisten asteroidien ja komeettojen mukana. Greenwoodin johtaman tutkimuksen mukaan ainoastaan 5–30 prosenttia nykyisestä vedestä olisi peräisin näistä myöhemmistä kosmisista törmäyksistä.

Havainnolla, että Maa onnistui säilyttämään suuren osan vedestään tuhoisasta törmäyksestä huolimatta, saattaa olla merkitystä myös eksoplaneettojen elinkelpoisuuksia arvioitaessa.

Tutkimuksesta kerrottiin ScienceDaily-uutissivustolla.

Kuva: Michael Elser/University of Zurich

Kuun "elämän" arvoitus ratkesi

Pe, 10/30/2015 - 21:05 By Markus Hotakainen
Apollo 17

Kuu on kuollut taivaankappale, siitä ei ole epäilystäkään. Siitä huolimatta Apollo-kuulennoilta 1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa tuoduista näytteistä löytyi orgaanista ainetta, jopa aminohappoja. Ja aminohapot ovat proteiinien, elämän kannalta keskeisten molekyylien, rakennuspalikoita.

Aminohappoja ei ole kuunäytteissä paljon, mutta vähäinenkin määrä on visainen arvoitus. Vuosien mittaan tutkijat ovat pohtineet erilaisia vaihtoehtoja sen ratkaisuksi.

Yksinkertaisin selitys on, että aminohapot ovat päätyneet Kuuhun sinne laskeutuneiden alusten mukana tai näytteet ovat "saastuneet", kun ne on tuotu Maahan. 

Toinen mahdollisuus on, että kuumoduulien rakettimoottoreiden palokaasuissa esiintyvä syaanivety on muodostanut mutkikkaampia yhdisteitä, esimerkiksi juuri aminohappoja, kun näytteitä on tutkittu laboratorioissa.

Kolmas lähde aminohappoja muodostaville alkuaineille on aurinkotuuli. Sen mukana Kuun pinnalle kertyy vetyä, hiiltä ja typpeä, joista saattaa muodostua aminohappoja otollisissa laboratorio-olosuhteissa.

Viimeinen varteenotettava vaihtoehto on aminohappojen kulkeutuminen Kuuhun meteoroidien mukana. Asteroidien sisuksissa tapahtuu kemiallisia reaktioita, joissa voi muodostua myös aminohappoja. Niitä tiedetään tulevan Maahan asteroidien keskinäisissä törmäyksissä pirstoutuneiden kivenkappaleiden mukana, joten niitä päätyy väistämättä myös Kuun pinnalle.

Jamie Elsilan johtama tutkijaryhmä analysoi seitsemän näytettä, joita on säilytetty Apollo-lennoista lähtien NASAn arkistossa. Niistä kaikista löytyi aminohappoja, joskin hyvin pieninä, 105–1910 miljardisosan pitoisuuksina.

"1970-luvun tutkijat esittivät oikeita kysymyksiä ja yrittivät tosissaan löytää niihin vastauksia, mutta silloisten tutkimusmenetelmien rajat tulivat vastaan", selittää Elsila. Nykyisten laitteiden tarkkuus riittää aminohappomolekyylien isotooppikoostumuksen määrittämiseen, mikä puolestaan mahdollisti niiden alkuperän selvittämisen.

Hiili-12- ja hiili-13-isotooppien runsaussuhde osoitti, että aminohapot ovat pääosin peräisin Maasta. Jälkimmäinen on ylimääräisen neutroninsa ansiosta hieman raskaampi, joten elämä suosii hiili-12-isotooppia, joka kevyempänä osallistuu helpommin kemiallisiin reaktioihin.

Tutkijoiden analyysin mukaan glysiinissä, β-alaniinissa ja L-alaniinissa oli vähemmän hiili-13-isotooppia kuin meteoriiteissa esiintyvissä aminohapoissa, joten ne muistuttivat Maassa muodostuneita molekyylejä. 

Aurinkotuulen vaikutus pystyttiin eliminoimaan ensinnäkin siksi, että siinä on hiili-13-isotooppia vielä paljon vähemmän. Toisaalta jos aurinkotuuli selittäisi aminohappojen esiintymisen, niitä pitäisi olla enemmän Kuun pinnalta kuin pinnan alta otetuissa näytteissä. Todellisuudessa tilanne on päinvastainen: mitä syvemmältä näyte on peräisin, sitä enemmän siinä on aminohappoja.

Samankaltainen perustelu sulkee pois kuumoduulien rakettimoottoreiden palokaasut mahdollisena lähteenä. Apollo 17 -lennolla otettiin yksi näyte suoraan kuumoduulin alta, mutta siinä ei ollut yhtään enempää aminohappoja kuin 6,5 kilometrin päästä otetussa näytteessä.

Lopullinen niitti oli aminohappojen "kätisyys". Aminohappojen rakenne mahdollistaa sen, että niitä voi muodostua kahtena eri versiona, jotka ovat toistensa peilikuvia.

Maan elämä suosii "vasenkätisiä" versioita, elottomissa reaktioissa syntyy kumpaakin yhtä paljon. Tutkituissa kuunäytteissä vasenkätisiä aminohappoja on selvästi enemmän kuin oikeakätisiä. 

Niinpä suurimman osan aminohapoista täytyy olla peräisin Maasta, vain pieni osa on tullut meteoroidien mukana. Asteroideihin viittaa oikeakätisten molekyylien esiintyminen – vaikkakin hyvin vähäisessä määrin – samoin esimerkiksi alfa-aminoisobutyyrihappo, joka on Maassa äärimmäisen harvinainen, mutta meteoriiteissa yleinen. 

Tutkimus siis ratkaisi vuosikymmeniä askarruttaneen arvoituksen, mutta antoi osviittaa myös tuleville lennoille, joilla noudetaan näytteitä muilta taivaankappaleilta. Jos hakusessa on orgaanisia molekyylejä, joiden oletetaan olevan peräisin muualta kuin Maasta, näytteiden saastuminen on vaikeasti vältettävä ongelma.

"Vaikka saastumista pyrittäisiin hallitsemaan hyvin huolellisesti, avaruudesta tuotujen näytteiden vähäiset orgaanisen aineen määrät voivat hukkua Maasta peräisin olevien aineiden alle", Elsila korostaa.

Seuraava luotain, jonka lennolla saastumisen mahdollisuus on otettava vakavasti, on OSIRIS-REx. Se laukaistaan matkaan ensi vuonna ja sen on määrä tuoda näytteitä Bennu-asteroidilta vuonna 2023.

Tutkimuksesta kerrottiin NASAn uutissivuilla ja se on julkaistu Geochimica et Cosmochimica Acta -tiedelehdessä.

Kuva: NASA

 

Volframi varmisti Kuun synnyn

To, 04/09/2015 - 21:51 By Markus Hotakainen

Kun Apollo-astronautit valmistautuivat yli 40 vuotta sitten vuosisadan seikkailuun, Kuun syntyteorioita oli tarjolla peräti kolme.

Evoluutioteorian kehittäjän poika George Darwin esitti 1870-luvun lopulla fissioteorian: Kuu oli alkujaan ollut osa Maata. Nuori Maa olisi pyörinyt niin vinhasti, että siitä repeytyi irti Kuun kokoinen möhkäle, joka jäi kiertämään runneltua planeettaa. Muistona muinaisesta mullistuksesta olisi Tyyni valtameri.

1900-luvun alussa Thomas See esitti sieppausteorian. Sen mukaan Kuu olisi syntynyt muualla Aurinkokunnassa ja joutunut myöhemmin Maan kaappaamaksi. Kuu olisi voinut muotoutua myös samasta kaasu- ja pölypilven pyörteestä kuin Maa, joten ne olisivat olleet alunperinkin "kaksoisplaneetta". Kuun kasautumisteoriaa kehitti esimerkiksi aviopari Viktor Safronov ja Evgeniya Ruskol 1950- ja 1960-luvuilla.

Kun Kotka sitten laskeutui Kuuhun ja Maahan saatiin viideltä muultakin Apollo-lennolta yhteensä nelisensataa kiloa kiviä, kävi ilmeiseksi, että mikään näistä teorioista ei pitänyt kutiaan. Tarvittiin ihan uusia ideoita.

William Hartmann ja Donald Davis sekä toisaalla William Ward ja Alastair Cameron kehittivät 1970-luvun puolivälissä mullistavan teorian: Kuu on syntynyt valtaisassa törmäyksessä.

 

 
Nykykäsityksen mukaan noin 150 miljoonaa vuotta Aurinkokunnan synnyn jälkeen Maahan törmäsi suunnilleen Marsin kokoinen planeetta-alkio. Kolarin vapauttama lämpö sulatti kappaleen ja osan Maastakin, ja avaruuteen sinkoutui valtaisa ainepilvi. Vähitellen se muodosti kolhiintuneen Maan ympärille renkaan, josta sitten kasautui Kuu.
 
Kuulostaa hyvältä. Teoria selittää Maa-Kuu-järjestelmän sekä Kuun itsensä ominaisuuksia, mutta ongelmana on ollut, että Maa ja Kuu muistuttavat koostumukseltaan liian tarkoin toisiaan.
 
Eri alkuaineiden runsauksissa ja erityisesti niiden isotooppien määrissä pitäisi olla eroja, sillä osan Maahan törmänneen Theia-planeetan aineesta olisi pitänyt päätyä Kuuhun. Ja kun edesmennyt Theia oli todennäköisesti muotoutunut kaukana Maan syntysijoilta, sen koostumus oli oletettavasti toisenlainen kuin matoisen Maamme.
 
Vallitsevan teorian onneksi erojakin löytyy, kun oikein kaivetaan. Marylandin yliopiston tutkijat tarkastelivat Richard Walkerin johdolla Apollo 16 -lennolta tuoduissa näytteissä (kuvassa alla) esiintyvän volframi-182-isotoopin runsauksia ja vertasivat niitä Maasta löytyvän volframin isotooppijakaumaan.

 

 

Kävi ilmi, että tätä volframin keveintä pysyvää isotooppia on Kuussa hieman enemmän kuin Maassa. Melkein tuplasti lyijyä raskaampi metalli tarjoaa tutkijoiden mukaan ratkaisun pitkäikäiseen arvoitukseen. Isotooppijakaumien ero selittäisi Maan ja Kuun samanlaisen koostumuksen.

Syynä kenties yllättävältä kuulostavaan päätelmään on se, että vielä Kuun synnyn jälkeenkin valtaisan iskun sinkoamaa kuonaa kertyi sekä Maahan että Kuuhun. Theian ja Maan välinen törmäys oli niin voimakas, että Theia höyrystyi kokonaan ja avaruuteen sinkoutunut ainepilvi sekoittui läpikotaisin ennen kuin siitä alkoi muotoutua Maan kiertolainen.

Myöhemmässä kertymässä on ollut runsaasti volframia, mutta vain suhteellisen vähän nyt tutkittua volframi-182-isotooppia. Kun Maalla on kookkaampana kappaleena suurempi vetovoima, tänne on kertynyt enemmän ainetta – ja enemmän muita, raskaampia volframin isotooppeja. Siksi isotoopin 182 suhteellisen osuuden pitäisi olla pienempi kuin Kuussa.

Tutkijoiden laskettua, minkä verran ainetta aikoinaan kertyi, volframin nykyisistä isotooppijakaumista on pääteltävissä, että alkujaan isotooppia 182 oli Maassa ja Kuussa täsmälleen yhtä paljon.

Kun Walkerin tutkijaryhmä vertasi Kuun ja Maan kiviä toisiinsa, Kuussa volframi-182-isotooppia on nykyisin suhteessa hivenen enemmän. Eli tulos on täsmälleen oikea, jos Maan vaipan ja Kuun koostumuksen oletetaan olleen heti Kuun synnyn jälkeen samanlainen. Ja kuten se edelleen näyttää olevan. Paitsi volframin osalta.

Tutkimuksesta kerrottiin Marylandin yliopiston uutissivulla ja se julkaistiin Nature-tiedelehden verkkoversiossa (maksullinen) 8. huhtikuuta.

Kuvat: NASA / JPL-Caltech / JSC