Una lupa simplemente no es suficiente para los "detectives" de alta tecnología en el Centro de Imagen y Caracterización de Materiales Kuiper de la Universidad de Arizona.
Los científicos, que se encuentran en el sótano del Edificio de Ciencias Espaciales Kuiper de la universidad, están trabajando para descifrar las historias archivadas en rocas y polvo que quedaron de los primeros días del sistema solar.
La instalación ha sido un recurso para programas científicos públicos y privados, tanto dentro como fuera del campus, desde 2016. Ahora, gracias a una subvención de cuatro años y casi $3 millones de la NASA para apoyar las operaciones de la instalación, los científicos podrán profundizar en preguntas científicas que nunca antes.
“La historia del sistema solar está codificada en asteroides: las migajas planetarias que quedaron de su nacimiento hace más de 4.500 millones de años”, dijo el director de la instalación, Thomas Zega, profesor de ciencias planetarias de UArizona. “La universidad y la NASA están invirtiendo una gran cantidad de dinero y recursos para recuperar una muestra de Bennu, un asteroide carbonoso, y esta es la primera misión de retorno de muestras de asteroides en la historia de la NASA, por lo que es importante que estemos debidamente equipados como un equipo científico para analizar la muestra cuando regrese.
Los co-investigadores de la instalación incluyen a los profesores asistentes de ciencias planetarias Jessica Barnes y Pierre Haenecour, así como al profesor regente de ciencias planetarias Dante Lauretta, investigador principal de la misión OSIRIS-REx de la NASA, que devolverá una muestra del asteroide Bennu a la Tierra a finales de este año.
Además de las muestras de asteroides, los científicos usan la instalación para analizar meteoritos y desechos de asteroides y otros cuerpos planetarios que caen a la Tierra. La instalación cuenta con instrumentación de última generación y está abierta a usuarios del campus, así como de otras universidades o del sector privado. La nueva subvención permitirá a los investigadores que ya reciben fondos a través de la NASA utilizar la instalación de pago a un precio reducido.
Otros programas de la NASA que utilizan la instalación incluyen los Consorcios Interdisciplinarios para la Investigación de Astrobiología, Análisis de Laboratorio de Muestras Devueltas y Mundos Emergentes. La instalación también servirá para los esfuerzos de investigación sobre materiales planetarios devueltos por las misiones de retorno de muestras de otras agencias espaciales, como Hayabusa 2 de Japón, que es la "misión hermana" de OSIRIS-REx.
“Hay aún más ciencia de muestra que esperar en el futuro”, dijo Zega.
Por ejemplo, las misiones Artemis de la NASA devolverán muestras lunares. Y los investigadores de UArizona están buscando fondos para la misión CAESAR, que devolvería una muestra de un cometa.
“Estados Unidos ha sido un líder mundial en ciencia de muestras y queremos mantener eso, especialmente aquí en la Universidad de Arizona”, dijo el presidente de la Universidad de Arizona, Robert C. Robbins. “Extraer la máxima cantidad de información científica de muestras modestas no es tarea fácil y requiere instrumentación de alta tecnología como la que tenemos en nuestro campus. Me siento honrado por la fe continua de la NASA en nuestra experiencia, y espero con ansias lo que aprenderemos”.
La escala lo es todo
La misión OSIRIS-REx dirigida por la universidad fue diseñada para devolver 60 gramos, un poco más de 2 onzas, de material de la superficie del asteroide Bennu. El equipo de la misión estima que se ha recolectado un poco más que eso, y los miembros del equipo científico de la misión, que están repartidos por todo el mundo, recibirán el 25 % de la masa total recolectada. Una fracción de la muestra se entregará a investigadores que no forman parte del equipo científico de OSIRIS-Rex, y el resto se conservará para futuras generaciones de investigadores.
“Queremos estar seguros de que podemos observar las muestras en múltiples escalas, desde algo que se puede ver en la palma de la mano, hasta el nivel atómico”, dijo Zega. “Para hacer esto, necesitamos instrumentación extremadamente sofisticada”.
La instalación de caracterización e imágenes de materiales de Kuiper incluye un microscopio electrónico de barrido de haz de iones enfocado, un microscopio electrónico de transmisión, un laboratorio de microsonda electrónica y microscopios electrónicos de barrido. Está previsto que en junio llegue un instrumento NanoSIMS para medir elementos químicos en una muestra.
“Hay diferentes tipos de análisis que tenemos que hacer en las muestras, y la mayoría de los químicos que estudian los materiales planetarios se especializan en una o varias técnicas de medición”, dijo Zega. “Todos tenemos diferentes especialidades y, en conjunto, nuestra experiencia se complementa y completa el portafolio analítico que queríamos construir en la universidad”.
Las herramientas: desde microscopios hasta sondas atómicas
El primero de una línea de herramientas de sondeo de muestras es el microscopio óptico, familiar para muchos y utilizado durante siglos. Ayuda a los científicos a visualizar muestras de varios cientos de nanómetros a micrómetros de tamaño, aproximadamente de la escala de bacterias y células.
“Los microscopios de luz visible no pueden 'olfatear' la composición química de una muestra, pero nos brindan imágenes que pueden revelar texturas y alguna información sobre su microestructura”, dijo Zega.
“También podría revelar áreas en su muestra en las que quizás desee enfocarse más”, dijo. “Podría darte una sensación de relación espacial, lo que podría contarte un poco de la historia para comenzar a reconstruir algo de la historia de la muestra. Pero no es hasta que se utilizan métodos más sofisticados que empiezas a obtener más de la imagen”.
El microscopio electrónico de barrido, o SEM, y la microsonda electrónica se utilizan para analizar muestras a una escala ligeramente menor. Una microsonda electrónica, también conocida como microanalizador de sonda electrónica, es similar a un microscopio electrónico de barrido, pero ofrece la capacidad adicional de revelar pistas sobre la composición química de la muestra.
“La microsonda nos permite obtener imágenes y mapear la heterogeneidad química en una muestra en dos dimensiones a escala micrométrica, menos de la mitad de la longitud de una célula bacteriana de tamaño promedio”, dijo Zega. “El SEM puede hacer lo mismo, aunque no con el mismo nivel de precisión. Ambos pueden generar imágenes y brindarnos información de composición a microescala, y ambos son críticos en el análisis de la muestra de Bennu, por ejemplo, porque ese nivel de información nos indicará en qué parte de la muestra es posible que deseemos investigar más utilizando NanoSIMS o TEM. ”
El instrumento NanoSIMS mide los elementos químicos en una muestra, lo cual es importante para comprender los orígenes del material. A diferencia del SEM o la microsonda, el NanoSIMS puede revelar la composición isotópica de una muestra. Los isótopos son diferentes variedades de elementos químicos.
“La composición isotópica de un material planetario puede decirnos algo sobre sus orígenes e historia que la información elemental por sí sola no puede decirnos”, dijo Zega. “El NanoSIMS también nos permite medir elementos traza, que están presentes en cantidades extremadamente pequeñas, en la escala de decenas de nanómetros”.
El microscopio electrónico de transmisión opera en las escalas más pequeñas, lo que permite a los científicos del laboratorio de Zega ver átomos individuales.
En 2021, el equipo de Zega utilizó la herramienta, combinada con la mecánica cuántica, la termodinámica química y el modelado astrofísico, para reconstruir el viaje de origen de un grano de polvo a través del sistema solar naciente.
“Debido a que los humanos no estuvieron hace alrededor de 4.600 millones de años para presenciar toda esta química, tenemos que examinar los restos y aplicar ingeniería inversa a sus orígenes”, dijo Zega. “Eso es lo que estas herramientas analíticas sofisticadas nos permiten hacer”.
Décadas en la fabricación
“Nuestro registro meteórico está incompleto”, dijo Zega. “Los que estudiamos meteoritos estamos a merced de lo que cae del cielo; no sabemos exactamente de dónde vienen, así que tratamos de reconstruirlo”.
A principios de la década de 2010, Mike Drake, quien se desempeñó como investigador principal de OSIRIS-REx hasta su fallecimiento en 2011, y Lauretta, la investigadora principal actual de la misión, se dieron cuenta de que la universidad necesitaba desarrollar capacidades en ciencia de muestras si iba a asumir la misión, según Zega.
“Estos muchachos fueron visionarios; sabían que necesitábamos una misión de devolución de muestras, y eso fue un catalizador importante para construir la instalación”, dijo Zega. “Desde entonces, nos hemos esforzado por contratar al profesorado adecuado para dirigir el laboratorio. Esta es la culminación de 20 años de ese esfuerzo”.https://spaceref.com/newspace-and-tech/solar-system-detectives-search-for-clues-in-crumbs-left-over-from-the-early-solar-system/
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