Нова книга Наталі Старкі «Ловля Stardust» досліджує наші стосунки з кометами та астероїдами.
(Зображення: © Bloomsbury Sigma)
Наталі Старкі більше 10 років бере активну участь у космічних наукових дослідженнях. Вона брала участь у космічних місіях для повернення зразків, таких як NASA Stardust та JAXA Hayabusa, і її запросили як слідчий одного з інструментальних команд для новаторської комети ESA Rosetta.
Її нова книга "Ловля зоряного пилу" вивчає, що ми відкриваємо про комети та астероїди - як ми дізнаємося про них та що пильні, крижані скелі мають поділитися про витоки Сонячної системи. Прочитайте питання та запитання зі Starkey про її нову книгу тут.
Нижче наводиться уривок з глави 3 "Ловля зоряного пилу". [Найкращі близькі зустрічі виду комети]
Комети та астероїди на Землі
Протягом останніх 50 років космічна апаратура стала все більш розвиватися, оскільки люди переслідували різноманітну кількість різних об'єктів у нашій Сонячній системі для зображення, вимірювання та вибірки. Люди успішно розмістили на планеті Марс повноцінно функціонуючий ровер для прогулянки по його поверхні, свердління та збирання зразків для аналізу на борту своїх вантажів наукових інструментів. Витончена наукова лабораторія також була відправлена в космос упродовж десятиліття, щоб наздогнати та висадитися на швидкохідній кометі для проведення аналізів її гірських порід, льодів та газів. І це лише кілька останніх моментів дослідження космосу. Однак, незважаючи на ці досягнення та дивовижні досягнення, найкращі та найлегше керовані наукові інструменти існують на Землі. Проблема полягає в тому, що ці земні прилади не можна надсилати в космос дуже легко - вони занадто важкі і чутливі для запуску на борту ракети, і для їх виконання потрібно точні та точні умови. Космічне середовище не є доброзичливим місцем, в якому значні крайні температури та тиск, умови, які не підходять для делікатних, а іноді й темпераментних лабораторних інструментів.
Результатом є те, що часто є багато переваг повернення зразків космічної породи на Землю для ретельного, продуманого та точного аналізу, на відміну від спроб запуску в космос сучасних лабораторних приладів. Основна проблема, однак, полягає в тому, що збирати гірські породи в космосі і безпечно повертати їх на Землю теж не є простим завданням. Насправді повернення зразків з космосу було досягнуто лише кілька разів: від Місяця з місіями Аполлона та Луни у 1970-х, від астероїда Ітокава з місією Хаябуса та з комети 81P / Wild2 з місією Stardust. Хоча сотні кілограмів Місячної скелі були повернуті на Землю, місії Хаябуса та Зоряний прах лише повернули невеликі кількості зразка гірської породи - фрагменти розміру пилу, щоб бути точними. Тим не менш, крихітні зразки, безумовно, кращі, ніж жодні зразки, оскільки навіть невеликі скелі можуть містити величезну кількість інформації у своїх структурах - секрети, які вчені можуть розблокувати своїми вузькоспеціалізованими науковими інструментами на Землі. [Як зловити астероїд: пояснена місія NASA (інфографіка)]
Зокрема, місія Stardust досягла великої роботи у просуванні наших знань про склад комет. Зразки кометного пилу, які він повернув на Землю, будуть тримати вчених довгі десятиліття, незважаючи на їх обмежену масу. Ми дізнаємось більше про цю місію та про дорогоцінні зразки, які вона зібрала, у главі 7. На щастя, є майбутні плани збору гірських порід з космосу, деякі місії вже на шляху, а інші очікують фінансування. Ці місії включають відвідування астероїдів, Місяця та Марса, і хоча всі вони можуть бути ризикованими починаннями без гарантії, що вони досягнуть своїх цілей, добре знати, що є надія на повернення зразків з космосу для аналізу на Землі у майбутньому.
Прибуття космічних скель на Землю
На щастя, виявляється, що існує інший спосіб отримати зразки космічних порід, і це навіть не передбачає виходу з безпечних меж Землі. Це тому, що космічні породи природним чином падають на Землю як метеорити весь час. Насправді на нашу планету щороку падає від 40 000 до 80 000 тон космічних порід. Ці зразки вільного простору можна уподібнити до космічних яєць Кіндер - вони упаковані небесними призами, інформацією про нашу Сонячну систему. Метеорити можуть включати зразки астероїдів, комет та інших планет, більшість з яких ще не взяли проби космічних кораблів.
З тисяч тонн космічної породи, що прибувають на Землю щороку, більшість є досить маленькими, переважно розміром з пилом, про які ми дізнаємось більше у розділі 4, але деякі окремі породи можуть бути досить великими. Деякі з найбільших кам'янистих метеоритів, які прибули на Землю, мали вагу до 60 тонн, що приблизно так само, як і п'ять двоповерхових автобусів. Метеорити можуть походити з будь-якого місця в космосі, але це, як правило, скелі з астероїдів, які найчастіше зустрічаються на Землі як шматки галькового розміру, хоча також можуть з’являтися шматочки комет і планет. Шматки астероїдів можуть закінчитися ударом до Землі після того, як вони відірвалися від свого більшого батьківського астероїду в космосі, часто під час зіткнень з іншими космічними об'єктами, що може призвести до того, що вони повністю розпадуться або маленькі шматки будуть вибиті з їх поверхні. У космосі, коли ці маленькі зразки астероїдів відірвались від своєї материнської породи, їх називають метероїдами, і вони можуть провести сотні, тисячі, можливо, навіть мільйони років, подорожуючи космосом, доки в кінцевому підсумку не зіткнуться з Місяцем, планетою чи Сонцем. Коли порода потрапляє в атмосферу іншої планети, вона стає метеором, і якщо і коли ці шматки досягають поверхні Землі або поверхні іншої планети чи Місяця, вони стають метеоритами. Немає нічого магічного в тому, що надходить космічна скеля перетворюється на метеорит, це просто назва, яку скеля отримує, коли вона стає нерухомою на поверхні тіла, з яким вона зустрічається. [Метеорні бурі: як надмірні відображення роботи "Зірок" (Інфографіка)]
Якщо всі ці космічні скелі природним чином прибувають на Землю безкоштовно, то вам може бути цікаво, чому вчені не турбуються про відвідування космосу, щоб взагалі спробувати взяти проби. Незважаючи на те, що гірські породи, що потрапляють на земний зразок, значно ширший спектр об’єктів Сонячної системи, ніж люди можуть відвідувати протягом багатьох життів, ці зразки мають тенденцію бути упередженими щодо тих, які найкраще переживають різкі наслідки потрапляння атмосфери. Проблема виникає через екстремальні зміни температури та тиску, які зазнає скеля або будь-який об'єкт під час потрапляння атмосфери з космосу на Землю, варіації, які є досить великими, щоб повністю знищити скелю в багатьох випадках.
Зміни температури під час потрапляння в атмосферу виникають як прямий результат великої швидкості вхідного об'єкта, яка може бути від 10 км / с до 70 км / с (25 000 м / ч до 150 000 м / ч). Проблема вхідної космічної скелі під час подорожі з цією гіперзвуковою швидкістю полягає в тому, що атмосфера не може вийти зі свого шляху досить швидко. Такий ефект відсутній, коли скеля подорожує через космос, просто тому, що простір є вакуумом, тому існує занадто мало молекул, щоб стукати одна в одну. Порода, що проходить через атмосферу, має буфетизуючий і стискаючий вплив на молекули, з якими вона стикається, змушуючи їх накопичуватися і дисоціювати в атоми своїх компонентів. Ці атоми іонізують, утворюючи плащ розжареної плазми, нагріту до надзвичайно високих температур - до 20 000 градусів С (36,032ºF) - і обволікає космічну породу, внаслідок чого вона перегрівається. Результат полягає в тому, що скеля, схоже, горить і світиться в атмосфері; що ми можемо назвати вогненною кулею чи зіркою, залежно від її розміру.
Наслідки цього процесу спричиняють помітні фізичні зміни в надходить скелі, що насправді полегшує нам ідентифікацію, коли вона стає метеоритом на поверхні Землі. Тобто утворюється плавильна кора, яка розвивається в міру проникнення гірської породи в нижню атмосферу і сповільнюється і нагрівається при терті з повітрям. Зовнішня частина гірської породи починає плавитися, і суміш рідини та газу, що утворюється, змітається із задньої частини метеориту, приймаючи тепло з собою. Хоча цей процес є безперервним і означає, що тепло не може проникати в скелю (тим самим діючи як тепловий щит), коли температура нарешті падає, розплавлений «тепловий щит» твердне, коли остання рідина охолоджується на поверхні скелі, утворюючи синтез. кірка. Отримана темна, часто блискуча шкіра на метеоритах - це відмінна риса, яку часто можна використовувати для ідентифікації їх та для розрізнення їх, крім земних порід. Формування термоядерної кори захищає внутрішні частини метеорита від найгірших впливів тепла, зберігаючи склад материнського астероїда, комети або планети, з якої він виник. Однак, хоча метеорити дуже нагадують своїх батьків, вони не є точною відповідністю. У процесі формування термоядерної кори гірська порода втрачає частину своїх більш летких компонентів, оскільки вони відварюються при екстремальних змінах температури, що спостерігаються у зовнішніх шарах гірської породи. Єдиний спосіб отримати "ідеальний" зразок - це зібрати його безпосередньо з космічного об'єкта і повернути його в космічний корабель. Однак, оскільки метеорити - це вільні зразки з космосу, і, безумовно, рясніші, ніж зразки, повернені космічними місіями, вони пропонують вченим чудову можливість дізнатися, з чого насправді виготовлені астероїди, комети та навіть інші планети. З цієї причини вони вивчаються на Землі. [6 цікавих фактів про комету Pan-STARRS]
Незважаючи на утворення плавкої кори, наслідки потрапляння атмосфери можуть бути досить суворими та руйнівними. Ті породи з меншою стисливістю або меншою міцністю на дроблення менше шансів пережити досвід; якщо об’єкт переживає уповільнення через атмосферу, його сила на стиск повинна бути більше максимального аеродинамічного тиску, який він відчуває. Аеродинамічний тиск прямо пропорційний локальній щільності атмосфери, яка залежить від того, на якій планеті стикається об’єкт. Так, наприклад, у Марса атмосфера тонша, ніж у Землі, яка не діє на те, щоб уповільнити вхідні об'єкти настільки сильно, і пояснює, чому космічні інженери повинні дуже ретельно подумати про посадку космічного корабля на поверхню червоної планети, оскільки їх системи уповільнення не можуть пройти попереднє тестування на Землі.
Міцність на стиск гірської породи контролюється її складом: її часткою мінеральних речовин гірських порід, металів, вуглецевого матеріалу, летючих фаз, кількості простору пор і того, наскільки добре складені його складові матеріали. Наприклад, витривалі космічні породи, такі як астероїди, багаті залізом, як правило, переживають екстремальні зміни температури та тиску, коли вони швидко проходять через земну атмосферу. Кам'янисті метеорити також досить міцні, навіть коли містять мало або не мають заліза. Хоча залізо є сильним, самі гірські корисні копалини можуть бути дуже добре пов'язані, щоб створити жорсткий шматок гірської породи. Метеорити, які мають меншу ймовірність вторгнення атмосферного проникнення неушкодженими, - це ті, які містять більш високий відсоток летучих речовин, поровий простір, вуглекислі фази та так звані гідратовані мінерали - ті, які вмістили воду в свою структуру росту. Такі фази знаходяться у великій кількості в метеоритах, відомих як хондрити вуглецю, а також кометах. Отже, ці об'єкти більш чутливі до впливу нагрівання і не витримують аеродинамічних сил, які вони відчувають під час подорожі по земній атмосфері. У деяких випадках вони є не що інше, як нещільно укрупнена жменька пухнастого снігу з домішкою бруду. Навіть якщо ви кинули сніжний ком, зроблений з такої суміші матеріалів, ви можете розраховувати, що він розпадеться в повітрі. Це демонструє, чому велика проба комети, як правило, вважається малоймовірною, щоб пережити жорсткий тиск та нагрівання наслідків потрапляння атмосфери без плавлення, вибуху чи розпаду на дуже крихітні шматочки. Як такий, незважаючи на великі колекції метеоритів на Землі, вчені досі не впевнені, що знайшли великий метеорит спеціально з комети через надзвичайно крихкі структури, які вони, як очікується, мають. Результатом усього цього є те, що деякі космічні породи надмірно представлені як метеорити на Землі просто тому, що їх композиції краще протистоять впливу потрапляння атмосфери.
Витягнуто з лову Stardust: комети, астероїди та зародження Сонячної системи Наталі Старкі. Copyright © Natalie Starkey 2018. Опублікував Bloomsbury Sigma, відбиток видання Bloomsbury Publishing. Передруковано з дозволу.
