Nova knjiga Natalie Starkey Catching Stardust raziskuje naš odnos s kometi in asteroidi.
(Slika: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey se že več kot 10 let aktivno vključuje v vesoljske raziskave. Sodelovala je v vesoljskih misijah, ki sta se vračala v vzorec, kot sta NASA Stardust in JAXA Hayabusa, povabljena pa je bila kot preiskovalca v eno od instrumentnih skupin za prelomno kometno misijo ESA Rosetta.
Njena nova knjiga "Catching Stardust" preučuje, kaj odkrivamo o kometih in asteroidih - kako se učimo o njih in kaj morajo imeti prašne ledene skale o izvoru osončja. Preberite vprašanja in odgovore z Starkey o njeni novi knjigi tukaj.
Spodaj je odlomek iz poglavja 3 "Catching Stardust." [Najboljši tesni srečanja vrste kometa]
Kometi in asteroidi na Zemlji
V zadnjih 50 letih je vesoljska instrumentacija postajala vedno bolj napredna, saj so ljudje v našem Osončju preiskovali raznoliko število različnih predmetov, da bi jih slikali, merili in vzorčili. Ljudje so na planetu Mars uspešno postavili popolnoma delujoč rover, ki je veslal po njegovi površini, vrtal in zbiral vzorce za analizo tovora znanstvenih instrumentov na krovu. Tudi prefinjen znanstveni laboratorij je bil poslan v vesolje na desetletje dolgo pot, da bi dohitel in odtekel na hiter komet, da bi opravil analize njegovih kamnin, ledu in plinov. In to je samo nekaj najnovejših poudarkov raziskovanja vesolja. Kljub temu napredku in neverjetnim dosežkom obstajajo najboljši in najlažje nadzorovani znanstveni instrumenti na Zemlji. Težava je v tem, da teh zemeljskih instrumentov ni mogoče poslati zelo enostavno v vesolje - so pretežki in občutljivi za izstrelitev rakete, za natančnost in natančnost pa potrebujejo skoraj popolne pogoje. Vesoljsko okolje ni prijazen kraj z veliko ekstremnimi temperaturami in tlakom, pogoji, ki niso primerni za občutljive in včasih temperamentne laboratorijske instrumente.
Rezultat tega je, da je veliko vzorcev, da se vzorci vesoljskih kamnin vrnejo na Zemljo za natančno, premišljeno in natančno analizo, v nasprotju s poskusi lansiranja naprednih laboratorijskih instrumentov v vesolje. Glavna težava pa je, da zbiranje kamnin v vesolju in njihovo varno vračanje nazaj na Zemljo tudi ni enostavna naloga. Dejansko je bil vzorec vrnitev iz vesolja dosežen le nekajkrat: z Lune z misijama Apollo in Luna v 70. letih prejšnjega stoletja, od asteroida Itokawa z misijo Hayabusa in iz kometa 81P / Wild2 z misijo Stardust. Čeprav je bilo na Zemljo vrnjenih sto kilogramov mesečeve skale, sta misiji Hayabusa in Stardust vrnili le nekaj minutnih vzorcev kamnin - drobcev velikosti prahu. Kljub temu so drobni vzorci vsekakor boljši kot nobeni vzorci, saj tudi majhne kamnine lahko v svoji strukturi hranijo ogromno informacij - skrivnosti, ki jih lahko znanstveniki odklenejo s svojimi visoko specializiranimi znanstvenimi instrumenti na Zemlji. [Kako ujeti asteroid: pojasnjena misija NASA (Infographic)]
Zlasti misija Stardust je dosegla veliko za izboljšanje našega znanja o sestavi kometov. Vzorci prahu kometa, ki se je vrnil na Zemljo, bodo znanstvenike zasedli še več desetletij, kljub njihovi omejeni masi. Več o tej misiji in o dragocenih vzorcih, ki jih je zbral, bomo izvedeli v poglavju 7. Na srečo obstajajo prihodnji načrti za zbiranje kamnin iz vesolja, nekatere misije so že na poti, druge pa čakajo na financiranje. Te misije vključujejo obiske asteroidov, Lune in Marsa, in čeprav so morda vsi tvegani, brez zagotovila, da bodo dosegli svoje cilje, je dobro vedeti, da obstaja upanje za vrnitev vzorcev iz vesolja za zemeljske analize v prihodnosti.
Prihod vesoljskih kamnin na Zemljo
Na srečo se izkaže, da obstaja še en način za pridobivanje vzorcev vesoljskih kamnin in sploh ne vključuje zapuščanja varnih meja Zemlje. To je zato, ker vesoljske skale ves čas naravno padajo na Zemljo kot meteoriti. V resnici vsako leto na naš planet pade približno 40.000 do 80.000 ton vesoljskih kamnin. Te vzorce prostega prostora lahko primerjamo s kozmičnimi jajcami Kinder - polna so nebesnih nagrad, informacij o našem Osončju. Meteoriti lahko vključujejo vzorce asteroidov, kometov in drugih planetov, ki jih večina vesoljskih plovil še ni vzorčila.
Med tisoč tonami vesoljske skale, ki vsako leto prispe na Zemljo, je večina precej majhnih, večinoma velikosti prahu, o katerih bomo izvedeli več v poglavju 4, vendar so nekatere posamezne kamnine lahko precej velike. Nekateri največji kamniti meteoriti, ki so prispeli na Zemljo, so bili težki do 60 ton, kar je približno toliko kot pet dvonadstropnih avtobusov. Meteoriti lahko izvirajo od koder koli v vesolju, vendar so ponavadi kamnine iz asteroidov, ki jih na Zemlji najpogosteje najdemo kot koščke v obliki kamenčkov, čeprav se lahko pojavijo tudi kosi kometov in planetov. Koščki asteroidov se lahko končajo proti Zemlji, potem ko se v vesolju odcepijo od svojega večjega matičnega asteroida, pogosto med trki z drugimi vesoljskimi predmeti, zaradi česar se lahko popolnoma zlomijo ali pa se z njihovih površin odbijejo majhni koščki. V vesolju, ko se ti majhni vzorci asteroidov odcepijo od matične skale, jih imenujemo meteroidi in lahko preživijo stotine, tisoče, morda celo milijone let, ki potujejo skozi vesolje, dokler se na koncu ne spopadejo z Luno, planetom ali Soncem. Ko skala vstopi v ozračje drugega planeta, postane meteor in če in ko ti kosi dosežejo zemeljsko površje ali površino drugega planeta ali Lune, postanejo meteoriti. Nič čarobnega ni, če se prihajajoča vesoljska skala spremeni v meteorit, to je preprosto ime, ki ga skala prejme, ko se ustali na površini telesa, ki ga sreča. [Meteorne nevihte: Kako superzaslonski prikazi zvezde strelskega zvezd (Infographics)]
Če vse te vesoljske skale naravno prispejo na Zemljo brezplačno, se boste morda vprašali, zakaj se znanstveniki trudijo, da bi obiskovali vesolje, če bi sploh poskusili vzorčiti. Kljub temu, da kamnine, ki padajo na Zemljo, vzorčijo veliko širši razpon predmetov Osončja, kot jih lahko ljudje obiskujejo v mnogih življenjskih obdobjih, so ti vzorci ponavadi pristranski do tistih, ki lahko najbolje preživijo močne učinke vstopa v atmosfero. Vprašanje se pojavi zaradi ekstremnih temperaturnih in pritiskovnih sprememb, ki jih je skala ali kateri koli predmet doživel med vstopom atmosfere iz vesolja na Zemljo, variacije, ki so dovolj velike, da skalo v veliki večini primerov popolnoma zasutijo.
Spremembe temperature med vnosom atmosfere se pojavijo kot neposredna posledica velike dohodne hitrosti predmeta, ki je lahko od 10km / s do 70km / s (25,000mph do 150,000mph). Težava dohodne vesoljske skale pri potovanju s temi hiperzvočnimi hitrostmi je, da se ozračje ne more premakniti dovolj hitro. Tak učinek ni, ko skala potuje skozi vesolje, preprosto zato, ker je prostor vakuum, zato je prisotnih premalo molekul, da bi se med seboj trkale. Kamnina, ki potuje skozi atmosfero, vpliva na bife in stiskanje na molekule, na katere naleti, zaradi česar se kopičijo in disociirajo v svoje sestavne atome. Ti atomi ionizirajo, da ustvarijo plašč napihljive plazme, ki se segreje na izredno visoke temperature - do 20.000 stopinj C (36.032 ° F) - in obda vesoljsko skalo, zaradi česar se ta zelo segreje. Rezultat tega je, da se zdi, da skala gori in žare v atmosferi; kaj lahko imenujemo ognjena krogla ali strelska zvezda, odvisno od njene velikosti.
Učinki tega procesa prinašajo opazno fizično spremembo prihajajoče skale, ki nam dejansko olajša identifikacijo, ko postane meteorit na površini Zemlje. To je tvorba fuzijske skorje, ki se razvije, ko kamnina prodira v spodnjo atmosfero in se upočasni in segreva s trenjem z zrakom. Zunanji del kamnine se začne topiti in mešanica tekočine in plina, ki se tvori, se odnese s hrbtne strani meteorita, pri čemer toploto prevzame. Medtem ko je ta proces neprekinjen in pomeni, da toplota ne more prodreti v skalo (tako deluje kot toplotni ščit), ko se temperatura končno spusti, se staljeni 'toplotni ščit' strdi, ko se zadnja preostala tekočina ohladi na površini kamnine in tvori zlitje skorjo. Nastala temna, pogosto svetleča skorja meteoritov je značilnost, ki jo lahko pogosto uporabimo za prepoznavanje in razpoznavanje ločenih kamnin. Tvorba fuzijske skorje ščiti notranje dele meteorita pred najhujšimi vplivi vročine, ohranja sestavo matičnega asteroida, kometa ali planeta, s katerega je izviral. Kljub temu, da meteoriti zelo spominjajo na starše, niso natančno ujemanje. V procesu tvorjenja fuzijske skorje kamnina izgubi nekaj svojih hlapnih komponent, saj jih iztrebimo ob izjemnih temperaturnih spremembah v zunanjih plasteh kamnine. Edini način za pridobitev "popolnega" vzorca bi bil, da ga zberemo neposredno iz vesoljskega predmeta in ga vrnemo v vesoljsko plovilo. Ker pa so meteoriti prosti vzorci iz vesolja in vsekakor obilnejši od vzorcev, ki jih vrnejo vesoljske misije, znanstvenikom nudijo odlično priložnost, da ugotovijo, iz česa v resnici izdelujejo asteroidi, kometi in celo drugi planeti. Zaradi tega so na Zemlji močno raziskani. [6 zabavnih dejstev o kometu Pan-STARRS]
Kljub nastanku fuzijske skorje so lahko vplivi vstopa v atmosfero precej ostri in uničevalni. Tiste kamnine z nižjo tlačno ali nižjo trdnostjo manj verjetno preživijo izkušnjo; če predmet preživi pojem v atmosferi, mora biti njegova tlačna moč večja od največjega aerodinamičnega tlaka, ki ga ima. Aerodinamični tlak je neposredno sorazmeren lokalni gostoti ozračja, ki je odvisna od tega, na katerem planetu se objekt srečuje. Tako ima na primer Mars tanjšo atmosfero od Zemlje, ki ne deluje toliko, da bi upočasnila prihajajoče predmete in razlaga, zakaj morajo vesoljski inženirji zelo premišljeno razmišljati o pristajanju vesoljskih plovil na površini rdečega planeta, saj njihovi sistemi zaviranja ne morejo biti predhodno preizkušen na Zemlji.
Trdno trdnost kamnine nadzira njegova sestava: njen delež skalnih mineralov, kovin, ogljikovega materiala, hlapne faze, količina pora pora in dobro sestavljeni materiali. Na primer, vzdržljive vesoljske kamnine, kakršne so iz asteroidov, bogatih z železom, ponavadi preživijo ekstremne spremembe temperature in tlaka, ko z veliko hitrostjo peljejo po Zemljini atmosferi. Kamniti meteoriti so tudi precej robustni, tudi kadar vsebujejo malo železa ali ga nimajo. Čeprav je železo močno, lahko tudi sami minerali kamnin dobro zlepijo, da ustvarijo trden kos kamenja. Meteoriti, pri katerih je manj verjetno, da bodo vstopili v atmosfero nedotaknjeni, so tisti, ki vsebujejo večji odstotek hlapljivih snovi, pora pore, ogljikove faze in tako imenovani hidrirani minerali - tisti, ki so vodo vnesli v svojo rastno strukturo. Takšnih faz je v meteoritih, ki jih poznamo kot ogljikovi hondriti in tudi kometi, zelo veliko. Ti predmeti so zato bolj občutljivi na učinke segrevanja in ne zdržijo aerodinamičnih sil, ki jih doživljajo, ko potujejo po Zemljini atmosferi. V nekaterih primerih niso nič drugega kot rahlo utrjena peščica puhastega snega z nekaj mešanice umazanije. Tudi če bi vrgli snežno kepo iz take mešanice materialov, boste morda pričakovali, da se bo razkropila v zraku. To kaže, zakaj je za velik vzorec kometa na splošno malo verjetno, da bi preživel močan pritisk in segrevanje vplivov vstopa v atmosfero, ne da bi se talil, eksplodiral ali razpadel na zelo drobne koščke. Kljub velikim zbirkam meteoritov na Zemlji znanstveniki še vedno niso prepričani, da so našli velik meteorit iz kometov zaradi izjemno krhkih struktur, ki naj bi jih imeli. Rezultat vsega tega je, da so nekatere vesoljske kamnine na Zemlji preveč predstavljene kot meteoriti preprosto zato, ker njihove sestave bolje prenesejo vplive vstopa v atmosfero.
Izvlečeno iz lova na stardust: kometi, asteroidi in rojstvo osončja Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Objavil Bloomsbury Sigma, odtis Bloomsbury Publishing. Ponatisnjeno z dovoljenjem.
