小行星Bennu原始物质多样性揭示太阳系早期物质吸积与演化过程

NASA OSIRIS-REx任务通过对近地小行星Bennu样本的系统分析，揭示了其母体吸积物质的恒星起源、星际介质来源及原行星盘传输过程。研究发现Bennu保留了未经历完全水蚀变的原始组分，包括来自古老恒星的太阳系前物质（presolar grains）、外太阳系有机质及富集中子核素Ti同位素的尘埃。通过对比Ryugu与CI型碳质球粒陨石，证实这些天体形成于共同但异质的外部原行星盘储层，为理解早期太阳系物质分馏与行星形成机制提供了关键证据。

　　

在探索太阳系起源的征程中，碳质小行星如同时间胶囊般封存着46亿年前原始星云的化学记忆。然而这些天体经历的水热蚀变过程会显著改变其矿物组成与同位素特征，使得追溯原始吸积物质变得极具挑战性。NASA的OSIRIS-REx任务瞄准直径约500米的近地小行星Bennu，这个由更大母体碰撞形成的碎石堆(rubble pile)结构，其未经地球大气污染的121.6克表土样本为研究早期星子形成提供了绝佳材料。

通过多学科交叉分析，研究团队揭示了Bennu母体吸积物质的惊人多样性。太阳系前颗粒(presolar grains)携带不同恒星的核合成印记，外太阳系有机质保留着分子云低温反应的同位素指纹，而富集中子核素Ti同位素(⁴⁶Ti、⁴⁸Ti、⁵⁰Ti)的尘埃则映射原行星盘的物质传输过程。尤为关键的是，这些原始组分在母体经历广泛水蚀变后仍得以保存，为理解太阳系早期演化提供了独特窗口。

关键技术方法

研究采用激光辅助氟化法测定氧同位素(δ¹⁷O、δ¹⁸O、Δ¹⁷O)，阶梯燃烧质谱分析C/N含量与同位素组成，ICP-MS测定44种元素丰度及Ti同位素异常(εⁱTi)，纳米二次离子质谱(NanoSIMS)原位分析presolar grains与有机质同位素分布，离子色谱检测可溶性阴离子(SO₄^2-、PO₄^3-)，同步结合SEM-EDS进行矿物学表征。样本来自OSIRIS-REx任务采集的未暴露空气的TAGSAM样品(粒径<0.5 cm)。

Bulk chemical and isotopic compositions

ICP-MS数据显示Bennu样本具有类太阳难熔元素组成，但富集流体活动元素(Y、Ba、P、Na、K)。氧同位素(Δ¹⁷O=+0.66±0.24‰)与CI球粒陨石相似但δ¹⁸O更高，反映CI受地球风化影响。阶梯燃烧揭示三组C组分：δ¹³C≤-10‰的有机质、δ¹³C>+43‰的碳酸盐、以及presolar diamonds/graphite/SiC。Noble gas分析显示Ne同位素组成混合了太阳风、宇宙成因及phase Q组分，Xe同位素则呈现CC平均值与presolar nanodiamonds贡献的Xe-HL特征。

Origins of the parent body's primary accreted components

NanoSIMS鉴定出多种presolar grains：来自AGB恒星的SiC(25 ppm)、超新星起源的¹⁵N富集颗粒、以及¹⁷O异常的氧化物/硅酸盐(4±2 ppm)。有机质H、C、N同位素组成与Ryugu、CI/CM球粒陨石及Wild2彗星样本相似，但含更多同位素异常有机质(δD达+3,000‰)。无水硅酸盐(1-4 vol%)的Δ¹⁷O(-23‰至-7‰)反映其形成于不同氧同位素储层，部分可能来自内太阳系的高温区域。

Geological activity within Bennu's parent body

presolar grains丰度表明母体未经历>400°C的热变质，与蒸发盐矿物学推断的蚀变温度(<50°C)一致。相比Ryugu含水岩性(<0.1 vol%)，Bennu更高的无水硅酸盐含量暗示蚀变程度较低或初始吸积更多原始硅酸盐。D富集有机质的保存证实水蚀变不完全，而Ar载体矿物的优先蚀变显示不同组分对水反应的敏感性差异。流体活动元素(K、Zn)的轻同位素富集暗示开放体系下的局部流体活动。

The reservoir from which Bennu's parent body formed

中子核素Ti同位素特征(ε⁵⁰Ti≈+2)将Bennu/Ryugu/CI与其它陨石区分，支持其形成于外太阳系独特储层。结合高NH₃与¹⁵N富集特征，推测母体形成于土星轨道之外，但缺乏彗星典型的Xe同位素 depletion。与Ryugu共享的矿物组合(层状硅酸盐、磁铁矿、硫化物)表明共同经历碱性盐水蚀变，而后因碰撞瓦解重组。

这项发表于《Nature Astronomy》的研究确立了Bennu作为连接1型与2/3型碳质天体的关键节点，其保存的原始物质多样性为理解原行星盘化学分馏提供了直接证据。研究发现Bennu比Ryugu和Orgueil含有更丰富的无水硅酸盐与同位素异常有机质，表明尽管这些天体共享共同形成区域，但吸积物质存在时空异质性。该成果不仅完善了太阳系早期演化模型，也为阐释地外有机质输送机制和行星宜居性形成条件奠定了科学基础。