Первый анализ космической пыли, собранной с помощью специального коллектора на борту космического зонда Stardust и отправленной на Землю для исследований, приоткрыл возможную дверь к изучению происхождения Солнечной системы и, возможно, самой жизни.

Впервые для того, чтобы взглянуть на микроскопические частицы, оказавшиеся на пути кометы, использовались источники синхротронного излучения. Advanced Photon Source, Advanced Light Source и National Synchrotron Light Source в Аргоннском департаменте энергии США, Ливерморской и Брукхейвенской лабораториях соответственно позволили провести анализ, который показал, что пыль, которая была доставлена из-за пределов нашей Солнечной системы, является куда более сложной по составу и структуре, чем представлялось ранее.

«По сути, Солнечная система и все в ней родилось из облака межзвездного газа и пыли, — говорит Эндрю Вестфаль, физик из Калифорнийского университета и ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Science под названием «Доказательство межзвездного происхождения семи частиц пыли, собранных космическим аппаратом Stardust». — Мы изучаем материал, который очень похож на тот, из которого сделана наша Солнечная система».

Анализ задействовал различные методы микроскопии, включая те, которые полагаются на синхротронное излучение.

«Синхротроны — это чрезвычайно яркие источники света, которые позволяют сосредоточить свет на частицах небольшого размера и обеспечить беспрецедентную химическую идентификацию», — говорит Ханс Бехтель, главный научный инженер Лаборатории Беркли.

APS помог ученым создать карту мест и разнообразия различных элементов в каждой крошечной частице, рассказал аргоннский физик Барри Лай, участвовавший в анализе с APS.

«Синхротрон Advanced Photon Source уникален в способности выполнять элементную съемку и анализ таких мелких частиц — всего в 500 нанометров или меньше в поперечнике, — говорит Лаи. Это настолько мало, что в точке в этом предложении могло бы поместиться 1000 таких частиц. — Этот инструмент важен для выяснения происхождения каждой частицы».

Исследователи использовали сканирующий рентгеновский микроскоп и инфракрасный микроскоп Фурье на ALS. Рентгеновский микроскоп исключил десятки кандидатов на межзвездную пыль, поскольку они содержали алюминий, которого в космосе нет, либо другие вещества, которые, скорее всего, попали с космического аппарата и застряли в аэрогеле. Инфракрасная спектроскопия помогла определить загрязнение образцов, которое можно было исключить позже.

«Почти все, что мы знали о межзвездной пыли, пришло из астрономических наблюдений наземных или космических телескопов, — говорит Вестфаль. Но телескопы не расскажут вам о сложности и разнообразии межзвездной пыли, добавляет он. — Анализ этих частиц, захваченных Stardust, — это наш первый взгляд на сложность межзвездной пыли, и удивительно, что каждая из этих частиц существенно отличается от другой».

Вестфаль и его 61 соавтор нашли и проанализировали в общей сложности семь гранул возможной межзвездной пыли, представив соответствующие выводы. Все анализы были неразрушающими, то есть сохранили структурные и химические свойства частиц. Но поскольку образцы, как полагают, пришли из-за пределов Солнечной системы, окончательное подтверждение этого может быть достигнуто только кардинальными тестами, которые полностью уничтожат несколько частиц.

«Несмотря на всю работу, которую мы проделали, мы ограничили анализы, — объясняет Вестфаль. — Эти частицы слишком драгоценны. Нам нужно хорошо подумать, прежде чем решить, что делать с каждой частицей».

В период с 2000 по 2002 год космический аппарат Stardust провожал комету Уайлда-2, собирая пыль из ее комы в специальный коллектор. Целью миссии было поймать частицы и от комы кометы, и от межзвездного потока пыли. Когда обе цели были достигнуты, Stardust запустил капсулу с образцами на Землю, и она приземлилась на северо-западе штата Юта. Анализ кометного образца Stardust широко публиковался в последние годы, и миссию можно считать исключительно успешной.

В ходе этого нового анализа ученые впервые изучили частицы, собранные на пути к комете, под микроскопом. Оба типа пыли были захвачены сборочными лотками космического корабля, изготовленными из воздушного материала — аэрогеля — разделенного алюминиевой фольгой. Три из частиц космической пыли либо попали, либо испарились в аэрогеле, а четыре других попали в алюминиевую фольгу, оставив следы, по которым их и нашли.

Большая часть нового исследования опиралась на новые методы и техники, разработанные специально для обработки и анализа мельчайших гранул пыли, которые более чем в тысячу раз меньше песчинки.

Одной из первых научно-исследовательских целей было просто найти частицы внутри аэрогеля. Аэрогелевые панели были тщательно сфотографированы в виде тонких пластинок путем изменения фокуса камеры на разной глубине, в результате чего миллионы фотографий были сшиты в видео. При помощи распределенного научного проекта под названием Stardust@home волонтеры и космические энтузиасты со всего мира прочесывали видео, маркируя следы, которые, по их мнению, могла оставить межзвездная пыль. До сих пор было обнаружено более 100 следов, но не все проанализированы. Кроме того, только 77 из 132 аэрогелевых панелей были отсканированы. Тем не менее Вестфаль не ожидает, что обнаружится больше десяти частиц пыли.

Исследователи обнаружили, что две крупные частицы в аэрогеле имеют пушистое строение, похожее на снежинку. Предполагалось, что межзвездные пылевые частицы должны быть плотными и сбитыми, поэтому такая легкая структура оказалась совершенно неожиданной. Также они содержат кристаллический материал оливин, минерал из магния, железа и кремния, который, как предполагается, родился в дисках других звезд и был модифицирован в межзвездной среде.

Три из частиц, найденных в алюминиевой фольге, также оказались сложными, содержащими соединения серы, которую астрономы вообще не ожидали найти в межзвездных пылевых частицах. Дальнейшее изучение частиц фольги поможет объяснить расхождение между прогнозами и результатами.

Вестфаль говорит, что команда продолжит искать больше следов, а также предпримет следующие шаги в анализе пыли.

«Наивысший приоритет сейчас отведен измерению относительной численности трех стабильных изотопов кислорода, — говорит он. Анализ изотопов позволит подтвердить, что пыль родилась за пределами Солнечной системы, но этот процесс, скорее всего, уничтожит драгоценные образцы. Пока же, говорит Вестфаль, команда оттачивает технику изотопного анализа на искусственных аналогах межзвездных частиц. — Нам нужно быть чрезвычайно осторожными. И много тренироваться, тренироваться, тренироваться».