Evidencia del orbitador y laboratorio Rosetta

Cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, 31 de enero de 2015 Crédito de la imagen: ESA/Rosetta/NAVCAM – CC BY-SA IGO 3.0

El espectrómetro de iones y neutros Rosetta Orbiter (ROSINA) orbitó el cometa 67P para revolucionar nuestra comprensión de la composición de la materia cometaria. El descubrimiento clave del satélite fue el estudio de la composición cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. En un nuevo informe publicado en Progreso de la cienciaAhmed Mahjoub y un equipo de científicos planetarios del Laboratorio de Propulsión a Chorro de CalTech, el Instituto de Ciencias Espaciales de Colorado y la Universidad de Berna en Suiza utilizaron datos de ROSINA para estudiar las partículas de polvo que se liberaron durante un evento de polvo en septiembre de 2016.

Los científicos informaron de la detección de grandes compuestos orgánicos de azufre en la superficie del cometa. Luego realizaron simulaciones de laboratorio para demostrar la formación de este material como resultado de reacciones químicas iniciadas por la irradiación de helados mixtos que contienen sulfuro de hidrógeno. Los resultados destacaron la importancia de la química del azufre en el cometa y su presencia en materiales previos al cometa para facilitar la detección de materiales organosulfurados en otros cometas y pequeños cuerpos helados utilizando Telescopio espacial James Webb.

Aterrizaje de cometa

Cuando la misión Rosetta visitó el cometa 67P, el satélite se reveló ideas notables a varias partículas en el cometa. Los científicos detectaron los compuestos orgánicos utilizando un instrumento de detección remota, espectrometría térmica visible e infrarroja y una gama de instrumentos que incluyen ROSINA, Ptolomeo y experimento de muestreo y composición de cometas. Las mediciones realizadas con ROSINA proporcionaron información importante sobre la química orgánica compleja en los materiales del cometa, así como más información sobre la composición de las fases semivolátiles del cometa 67P.

Las mediciones revelaron además la detección sales de amonio. En este documento, Mahjoub y sus colegas discutieron los datos recopilados de las sondas Rosetta y ROSINA durante un evento de impacto de polvo mejorado por instrumentos. Interpretaron los datos para revelar la presencia de grandes moléculas de azufre orgánico de baja volatilidad incrustadas en los granos de polvo del cometa 67P. El equipo completó simulaciones de laboratorio de química orgánica que comenzaron en el cometa al irradiar mezclas simples de hielo en presencia o ausencia de sulfuro de hidrógeno. Los resultados indican el predominio del azufre en el medio ambiente y el posible origen químico del hielo para las especies que contienen azufre en el material cometario.

evento de polvo

Antes de aterrizar en Comet, Rosetta se movió en órbitas elípticas durante las últimas semanas de su misión, reduciendo gradualmente su altitud de periápside. En septiembre de 2016, la nave espacial alcanzó su distancia máxima del cometa. Se supone que la sonda espacial fue golpeada previamente por un bloque de hielo o polvo, lo que llevó a observaciones de nubes de gas de alta densidad durante unas 3 horas en cerca del instrumento.

Las medidas tomadas durante el estudio mostraron una abundancia de varias moléculas que contienen azufre antes y después del evento de polvo. El equipo realizó mediciones de espectrometría de masas para identificar el sulfuro de carbonilo y el disulfuro de carbono como especies que no aumentaron significativamente durante el evento debido a su mayor volatilidad en comparación con el dióxido de azufre, que aumentó en aproximadamente dos órdenes de magnitud. El equipo continuó monitoreando la asistencia moléculas de organosulfuro semivolátiles en la superficie del cometa 67P.

Especies que contienen azufre detectadas por ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) – DFMS (Double Focusing Mass Spectrometer) antes y durante el evento de polvo el 5 de septiembre de 2016, ~2 km por encima de la superficie del núcleo. 17:xx representa las medidas tomadas antes del golpe de polvo entre las 17:15 y las 17:55 UTC (dependiendo de la masa) y 18:xx representa las medidas durante el golpe de polvo (18:09 a 18:50). (A) especies que contienen CnHmS1, n = 0 a 4; m = 0 a 6, l = 1 a 2. (B) especies que contienen CnHmO1S y CHnNS, n = 0 a 3; m = 0 a 6, l = 1 a 2. Los grados están ordenados por relación masa-carga (m/z), pero no están espaciados correctamente (el eje x no es lineal). No se pudo derivar el valor SO antes del evento porque el espectro está corrupto. Las abundancias se dan en unidades arbitrarias (au), pero corregidas por efectos instrumentales (sensibilidad dependiente de la masa). Nota: Durante el impacto, la densidad del fondo de coma disminuyó en los 40 minutos necesarios para cubrir el rango de masas. Por lo tanto, las masas más grandes se subestiman en comparación con las masas pequeñas. Préstamo: Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0394

Simulaciones de laboratorio

Los datos del espectrómetro de masas de doble enfoque de ROSINA (ROSINA-DFMS) obtenidos durante el evento de polvo revelaron que la química del azufre es más compleja y variada de lo que se sabía o suponía anteriormente en función de las mediciones en coma de cometa no perturbado. Mahjoub y sus colegas asumieron que este resultado se debía a la química del hielo que involucraba sulfuro de hidrógeno. Para investigar esto en el laboratorio, el equipo realizó experimentos de irradiación de electrones en mezclas de hielo en presencia o ausencia de partículas.

La configuración experimental incluyó una cámara de acero inoxidable de alto vacío donde el equipo depositó hielo sobre un sustrato de oro adherido al dedo frío de un criostato de helio a través del gas para preparar mezclas de gases. La configuración involucró ganancia de electrones en la cámara ia Copa Faraday para monitorear la corriente del haz de electrones. El equipo detectó las muestras en desarrollo utilizando un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier. Otros experimentos revelaron la rápida disociación del sulfuro de hidrógeno en el sistema, en comparación con las muestras de metanol y agua utilizadas en experimentos similares, para producir una alta concentración de radicales reactivos que contienen azufre, que afectan principalmente a la química de las capas de hielo.

Comparación de espectros de masas de compuestos desorbidos de mezclas de hielo irradiado “con azufre” (azul) y “sin azufre” (rojo) en experimentos de laboratorio. Ambos espectros se registraron a T = 275 K y ambas muestras recibieron dosis similares de radiación. m/z, relación masa/carga. Préstamo: Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0394

perspectivas

Así, Ahmed Mahjoub y sus colegas caracterizaron heteropolímeros orgánicos en pequeños granos de hielo interestelar y cuerpos helados. Asumieron que la química del hielo de sulfuro de hidrógeno era plausible para las especies observadas. Destacaron la presencia de otras vías de formación de organosulfurados en el medio difuso interestelar y en nebulosa solar. Usando simulaciones de laboratorio, los investigadores demostraron que los compuestos orgánicos que contienen azufre pueden formarse mediante el bombardeo de iones de azufre de hielos astrofísicos que contienen carbono, oxígeno y nitrógeno.

Comparación de los espectros infrarrojos (IR) de muestras de residuos “sin azufre” (espectro rojo) y muestras de residuos “con azufre” (espectro azul). Ambas muestras se produjeron irradiando las películas de hielo con un haz de electrones de 10 keV durante 20 horas a 50 K. Este tiempo de irradiación corresponde a una fluencia total de 2 × 1021 eV cm-2. El hielo inicial consta de CH3OH:NH3:H2S:H2O (3:3:3:1) (“con azufre”) y CH3OH:NH3:H2O (3:3:1) (“sin azufre”). au, cualquier unidad. Préstamo: Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0394

El telescopio espacial James Webb utilizado en este trabajo puede aumentar la comprensión química del sistema solarincluido cometasY asteroides. Este instrumento también puede ayudar a los científicos a descubrir la composición de varios de estos cuerpos interestelares, junto con sus similitudes o diferencias, para comprender la formación y evolución del sistema solar; donde la química del azufre es interesante. El destino del azufre juega un papel clave en la evolución de los cometas y los cuerpos helados interestelares, aunque se desconoce gran parte de su papel en los componentes básicos del sistema solar. El elemento, sin embargo, tiene una capacidad prometedora para responder al origen y evolución de esos pequeños cuerpos helados.

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