Het raadsel van de halogenen

Het ROSINA-instrument

De DFMS-sensor van ROSINA aan boord van Rosetta heeft de samenstelling van het gas rond komeet Chury gemeten. Daartoe moest DFMS het komeetgas eerst ioniseren, de gevormde ionen sorteren op hun massa en daarna het aantal ionen bij elke massa tellen.

De samenstelling van het neutrale gas rond de komeet moeten we dus afleiden uit de massa's en aantallen van de gemeten ionen. Dit is tamelijk complex omdat een ion het resultaat kan zijn van de ionisatie van verschillende neutrale gassen. Het zuurstof-ion O⁺ kan bijvoorbeeld worden gevormd door ionisatie van water (H₂O), CO of O₂. We moeten daarom begrijpen hoe elke neutrale stof zich gedraagt in het instrument.

Welke “zeevissen” zwemmen er in de kometendierentuin?

In eerder onderzoek naar komeet Chury ontdekten we in het komeetgas een grote diversiteit aan stoffen, die we informeel “de dierentuin” noemen. Daaronder zijn ook de stoffen die de halogenen fluor (F), chloor (Cl) en broom (Br) bevatten, voornamelijk in de vorm van de waterstofhalogeniden HF, HCl en HBr. Deze stoffen krijgen het etiket van “zeevissen” omdat HCl in water verband houdt met zeezout. We hebben ook bewijs gevonden dat deze waterstofhalogeniden niet gemakkelijk door de komeet worden vrijgegeven - ze zijn semi-vluchtig - en voornamelijk afkomstig zijn van de stofdeeltjes rond de komeet.

Er bleef echter één vraag onopgehelderd, want in tegenstelling tot wat verwacht wordt voor neutraal HCl alleen vonden we veel meer Cl⁺ ten opzichte van HCl⁺ (de verhouding Cl⁺/HCl⁺ die wordt gevormd door ionisatie van HCl in het instrument is gekend), en dus moet er een extra bron van Cl⁺ in het kometengas zijn, maar welke?

De ontdekking van ammoniumzouten

Gelukkig kwam er tegen het einde van de Rosetta-missie een stofkorrel het instrument binnen, waardoor we een glimp konden opvangen van het gas dat rechtstreeks van deze stofkorrel vrijkwam. We ontdekten niet alleen dat de hoeveelheid HCl⁺ en Cl⁺ in het stof hoger was dan in het gas dat rechtstreeks van de komeet kwam, maar ook NH₃⁺ werd in een grotere hoeveelheid gemeten (zie Figuur 1). Dit duidt op de aanwezigheid van ammoniumzouten, wat werd bevestigd door metingen van verschillende ammoniumzouten (NH₄X) in een kopie van het instrument op aarde. De verhouding Cl⁺/HCl⁺ voor ammoniumchloride (NH₄Cl) ligt dichter bij de verhouding die wordt verkregen in het komeetgas.

Een update van de verhouding Cl⁺/HCl⁺

Sinds het begin van onze studie van de halogeen-houdende stoffen hebben we verdere verbeteringen gedaan aan de gegevensanalyse om rekening te houden met een aantal instrumentele effecten. Deze verbeterde technieken werden vervolgens toegepast op gegevens van de volledige duur van de missie om een nauwkeuriger schatting te krijgen van de Cl⁺/HCl⁺ verhouding. Die Cl⁺/HCl⁺ waarde blijkt nu nog hoger uit te vallen. Al deze bevindingen wijzen naar nog minstens één bijkomende bron van chloor.

Het SeVoCo project

Afgezien van de pas ontdekte ammoniumzouten is er niet veel geweten over de vorm waarin semi-vluchtige stoffen op de komeet voorkomen. Dankzij het BRAIN-be 2.0 SeVoCo project kunnen we ons onderzoek naar deze raadselachtige stoffen voortzetten op dezelfde manier als onze zoektocht naar de “zeevissen”.

Wil je er meer over weten?

• Altwegg, K., Balsiger, H., Hänni, N., Rubin, M., Schuhmann, M., Schroeder, I., Sémon, T., Wampfler, S., Berthelier, J.-J., Briois, C., Combi, M., Gombosi, T.I., Cottin, H., De Keyser, J., Dhooghe, F., Fiethe, B., and Fuselier, S.A. (2020). Evidence of ammonium salts in comet 67P as explanation for the nitrogen depletion in cometary comae. Nature Astronomy, 4(5), 533-540. https://doi.org/10.1038/s41550-019-0991-9

• Dhooghe, F., De Keyser, J., Altwegg, K., Briois, C., Balsiger, H., Berthelier, J.-J., Calmonte, U., Cessateur, G., Combi, M.R., Equeter, E., Fiethe, B., Fray, N., Fuselier, S., Gasc, S., Gibbons, A., Gombosi, T., Gunell, H., Hässig, M., Hilchenbach, M., Le Roy, L., Maggiolo, R., Mall, U., Marty, B., Neefs, E., Rème, H., Rubin, M., Sémon, T., Tzou, C.-Y., and Wurz, P. (2017). Halogens as tracers of protosolar nebula material in comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 472(2), 1336-1345. https://doi.org/10.1093/mnras/stx1911

• De Keyser, J., Altwegg, K., Gibbons, A., Dhooghe, F., Balsiger, H., Berthelier, J.-J., Fuselier, S.A., Gombosi, T.I., Neefs, E., and Rubin, M. (2019). Position-dependent microchannel plate gain correction in Rosetta's ROSINA/DFMS mass spectrometer. International Journal of Mass Spectrometry, 446, A116232. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2019.116232

• De Keyser, J., Gibbons, A., Dhooghe, F., Altwegg, K., Balsiger, H., Berthelier, J.-J., Fuselier, S.A., Gombosi, T.I., Neefs, E., and Rubin, M. (2019). Calibration of parent and fragment ion detection rates in Rosettas ROSINA/DFMS mass spectrometer. International Journal of Mass Spectrometry, 446, A116233. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2019.116232