Natalie Starkey uus raamat Catching Stardust uurib meie suhteid komeetide ja asteroididega.
(Pilt: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey on kosmoseteaduse uurimisega aktiivselt tegelenud enam kui 10 aastat. Ta on osalenud tagasitulekuga kosmosemissioonidel, näiteks NASA Stardust ja JAXA Hayabusa, ning teda kutsuti kaasautoriks ühes murrangulise ESA Rosetta komeedi missiooni instrumendirühmadest.
Tema uues raamatus "Stardusti püüdmine" uuritakse, mida me komeetide ja asteroidide kohta avastasime - kuidas nende kohta teada saame ja mida tolmustel, jäistel kividel on päikesesüsteemi päritolu osas jagada. Lugege Starkeyga Q & A-d tema uue raamatu kohta.
Allpool on väljavõte peatükist 3 "Stardusti püüdmine". [Komeedi parimad lähedased kohtumised]
Komeedid ja asteroidid Maal
Viimase 50 aasta jooksul on kosmoseinstrumendid muutunud üha arenenumaks, kuna inimesed on meie päikesesüsteemis jälginud mitmesuguseid objekte, et neid pildistada, mõõta ja proovida. Inimesed on edukalt paigutanud täielikult töötava roveri planeedil Mars, et liikuda üle selle pinna, puurida ja koguda proove, et analüüsida pardal olevate teaduslike instrumentide lasti. Ka kümmekond aastat kestnud rännakule on kosmosesse saadetud keerukas teaduslik labor, et kiirendava komeedi juurde järele jõuda ja maanduda, et teha selle kivimite, jäätise ja gaaside analüüse. Ja see on vaid mõned kosmoseuuringute viimastest tipphetkedest. Vaatamata nendele edusammudele ja hämmastavatele saavutustele on Maal siiski olemas parimad ja hõlpsamini kontrollitavad teaduslikud instrumendid. Probleem on selles, et neid Maa instrumente ei saa kosmosesse väga hõlpsalt saata - need on raketi pardale laskmiseks liiga rasked ja tundlikud ning vajavad täpsuse ja täpsusega toimimiseks peaaegu täiuslikke tingimusi. Kosmosekeskkond ei ole sõbralik koht, kus esinevad olulised temperatuuri ja rõhu piirmäärad, tingimused, mis ei sobi delikaatsete ja mõnikord ka temperamentsete laborivahenditega.
Tulemus on see, et kosmosekivimite proovide Maale toomiseks hoolika, läbimõeldud ja täpse analüüsi jaoks on sageli palju eeliseid, mitte aga proovida kosmosesse viia täiustatud laboratoorseid vahendeid. Suurimaks probleemiks on aga see, et ka kivide kogumine kosmoses ja nende turvaline tagasi Maale toomine pole lihtne ülesanne. Tegelikult on kosmosest naasmist proovitud vaid paaril korral: Kuult koos Apollo ja Luna missioonidega 1970ndatel, asteroidilt Itokawa koos Hayabusa missiooniga ja komeedilt 81P / Wild2 missiooniga Stardust. Ehkki sadu kilogrammi Kuu kivimit on Maale tagasi viidud, tagasid Hayabusa ja Stardusti missioonid vaid väheses koguses kiviproovi - täpsuse mõttes tolmu suuruses killud. Sellegipoolest on pisikesed proovid kindlasti paremad kui mitte ükski proov, kuna isegi väikesed kivid võivad oma struktuurides hoida tohutul hulgal teavet - saladusi, mida teadlased saavad oma kõrgelt spetsialiseerunud teaduslike instrumentidega Maal lahti teha. [Kuidas asteroidi püüda: NASA missiooni selgitatud (infograafiline)]
Stardusti missioon saavutas eriti palju komeetide koosseisu käsitlevate teadmiste edasiarendamisel. Komeedi tolmuproovid, mille see Maale tagasi viis, hoiavad teadlasi hõivatud veel paljude aastakümnete jooksul, hoolimata nende piiratud massist. Selle missiooni ja selle kogutud väärtuslike proovide kohta saate rohkem teada peatükist 7. Õnneks on tulevikuplaane kosmosekivide kogumiseks, mõned missioonid on juba teel ja teised ootavad rahastamist. Nende missioonide hulka kuuluvad visiidid asteroididesse, Kuule ja Marsile ning ehkki need kõik võivad olla riskantsed, ilma et oleks garantiid, et nad oma eesmärgid saavutavad, on hea teada, et on lootust kosmoseproovid maapealse analüüsi jaoks tagasi tuua. tulevikus.
Kosmosekivide saabumine Maale
Õnneks selgub, et kosmosekivimite proovide saamiseks on veel üks viis ja see ei tähenda isegi Maa ohututest piirkondadest lahkumist. Seda seetõttu, et kosmosekivimid langevad kogu aeg meteoriitidena Maale. Tegelikult langeb meie planeedile igal aastal umbes 40 000–80 000 tonni kosmosekivimeid. Neid vaba ruumi proove saab võrrelda kosmiliste Kinderi munadega - neile on pakitud taevapreemiaid, teavet meie Päikesesüsteemi kohta. Meteoriidid võivad hõlmata asteroidide, komeetide ja muude planeetide proove, millest enamiku kosmoselaevad pole veel proove võtnud.
Tuhandetest tonnidest kosmosekivimitest, mis Maale igal aastal saabuvad, on suurem osa neist üsna väikesed, enamasti tolmu suurused, millest õpime lähemalt 4. peatükis, kuid mõned üksikud kivimid võivad olla üsna suured. Ühed suurimad Maale saabuvad kivised meteoriidid on kaalunud kuni 60 tonni, mis on umbes sama kui viis kahekorruselist bussi. Meteoriidid võivad pärineda kõikjalt kosmosest, kuid need kipuvad olema asteroidide kivimid, mida leidub Maal kõige sagedamini veerisuuruste tükkidena, ehkki ka komeete ja planeete võib leida. Asteroidide tükid võivad pärast seda, kui nad on kosmoses oma suuremast asteroidist lahti murdnud, sageli maa peal haavata, sageli teiste kosmoseobjektidega kokkupõrke ajal, mis võib põhjustada nende täieliku purunemise või väikeste tükkide koputamise nende pinnalt. Kosmoses, kui need väikesed asteroidide proovid on lähtekivist lahti murdnud, nimetatakse neid meteroidideks ja nad võivad veeta sadu, tuhandeid, võib-olla isegi miljoneid aastaid kosmoses ringi liikudes, kuni lõpuks põrkuvad kuu, planeedi või Päikesega. Kui kivim siseneb teise planeedi atmosfääri, muutub see meteooriks ja kui ja kui need tükid jõuavad Maa pinnale või teise planeedi või Kuu pinnale, muutuvad nad meteoriitideks. Meteoriidiks muutuvas saabuvas kosmosekivimis pole midagi maagilist, see on lihtsalt nimi, mille kivi saab, kui see paikneb keha pinnal, millega ta kohtub. [Meteoriiditormid: kuidas "Tulistavate tähtede" teose ülitäpsed ekraanid (infograafika)]
Kui kõik need kosmosekivimid jõuavad Maale loomulikult tasuta, siis võite küsida, miks teadlased viitsivad kosmosekülastamisega vaeva näha, et proovide võtmist üldse proovida. Hoolimata asjaolust, et Maale langevad kivimid proovivad palju laiemat hulka Päikesesüsteemi objekte, kui inimesed saavad paljudel eluperioodidel külastada, kiputakse neid proove kallutama nendesse, mis suudavad kõige paremini üle elada atmosfääri sisenemise karmid mõjud. Probleem tekib seetõttu, et atmosfääri kosmosest Maale atmosfääri sisenedes võivad kivimid või mis tahes objektid kogeda äärmuslikke temperatuuri- ja rõhumuutusi, mis on paljudel juhtudel kalju täielikuks hävitamiseks piisavalt suured.
Temperatuuri muutused atmosfääri sisenemise ajal toimuvad objekti suure sissetuleva kiiruse otsesel tagajärjel, mis võib olla vahemikus umbes 10 km / s kuni 70 km / s (25 000 km / h kuni 150 000 km / h). Nende hüpersooniliste kiirustega liikuva kosmosekihi probleem on see, et atmosfäär ei saa piisavalt kiiresti oma teelt välja liikuda. Sellist efekti pole, kuna kivim liigub läbi kosmose lihtsalt seetõttu, et kosmos on vaakum, nii et üksteisesse koputamiseks on kohal liiga vähe molekule. Läbi atmosfääri kulgeval kivimil on pudenenud ja kokkusurutav mõju molekulidele, millega ta kokku puutub, põhjustades nende kuhjumise ja dissotsieerumise komponentide aatomiteks. Need aatomid ioniseerivad, tekitades hõõguva vereplaadi, mida kuumutatakse äärmiselt kõrgele temperatuurile - kuni 20 000 kraadi (36,032ºF) - ja ümbritseb kosmosekivimit, põhjustades selle ülekuumenemise. Selle tulemusel näib, et kivim põleb ja hõõgub atmosfääris; mida võime nimetada tulekeraks või lasketiiruks, sõltuvalt selle suurusest.
Selle protsessi tagajärjed muudavad sissetuleva kivimi märkimisväärselt füüsikaliseks muutuseks, mille abil on meil tegelikult lihtsam kindlaks teha, millal sellest saab Maa pinnal meteoriit. See tähendab sulandkooriku moodustumist, mis areneb, kui kivim tungib madalamasse atmosfääri ning aeglustub ja soojeneb õhu hõõrdumisega. Kivimi välimine osa hakkab sulama ja moodustunud vedeliku ja gaasi segu pühitakse meteoriidi tagaosast, võttes endaga kaasa kuumuse. Kuigi see protsess on pidev ja tähendab, et kuumus ei saa kivimisse tungida (toimides niiviisi kuumakilbina), siis kui temperatuur lõpuks langeb, tahkub sula sulakilp, kui viimane järelejäänud vedelik jahtub kivimi pinnal, moodustades sulandumise koorik. Tekkinud tume, sageli läikiv koor meteoriitidel on eripära, mida saab sageli kasutada nende tuvastamiseks ja maapealsete kivimite eristamiseks. Fusioonikoore moodustumine kaitseb meteoriidi sisemisi osi kuumuse halvimate mõjude eest, säilitades lähte-asteroidi, komeedi või planeedi koosseisu, kust see pärineb. Ehkki meteoriidid sarnanevad väga nende vanematega, pole need siiski täpsed vasted. Fusioonkooriku moodustumisel kaotab kivim osa oma lenduvamatest komponentidest, kuna need keedetakse kivimi väliskihtides esinevate äärmuslike temperatuurimuutustega. Ainus viis täiusliku proovi saamiseks on see, kui koguda see otse kosmoseobjektilt ja tagastada see kosmoselaevas. Kuna meteoriidid on kosmosest tasuta proovid ja kindlasti rikkalikumad kui kosmosemissioonidelt tagastatud proovid, pakuvad nad teadlastele suurepärase võimaluse teada saada, millest asteroidid, komeedid ja isegi muud planeedid tegelikult on valmistatud. Sel põhjusel on neid Maal põhjalikult uuritud. [6 lõbusat fakti komeedi Pan-STARRS kohta]
Vaatamata termotuumasünteesi moodustumisele võib atmosfääri sisenemise mõju olla üsna karm ja hävitav. Need kivimid, millel on madalam surve- või muljumisjõud, on tõenäolisem, et kogemused jäävad ellu; kui objektil on aeglustumine atmosfääri kaudu, peab selle survetugevus olema suurem kui maksimaalne aerodünaamiline rõhk, mida see kogeb. Aerodünaamiline rõhk on otseselt võrdeline atmosfääri kohaliku tihedusega, mis sõltub sellest, millist planeeti objekt kohtab. Nii on näiteks Marsi atmosfäär õhem kui Maa, mis ei reageeri nii palju sissetulevate objektide aeglustamiseks, ning selgitab, miks kosmoseinsenerid peavad väga hoolikalt mõtlema kosmoselaevade maandumisele punase planeedi pinnale, kuna nende aeglustussüsteemid ei saa olla Maa peal eeltesteeritud.
Kivimi survetugevust kontrollib selle koostis: kivimi mineraalide, metallide, süsiniku sisalduse protsent, lenduvad faasid, pooride hulk ja see, kui hästi selle koostisosad kokku pakitakse. Näiteks vastupidavad kosmosekivimid, näiteks rauarikastest asteroididest pärinevad kivimid, kipuvad üle elama äärmuslikke temperatuuri ja rõhu muutusi, kuna nad torkavad Maa atmosfääri läbi suure kiirusega. Kivised meteoriidid on ka üsna vastupidavad, isegi kui need sisaldavad vähe rauda või üldse mitte. Ehkki raud on tugev, võivad kivimi mineraalid ise väga hästi liituda, et tekitada ka tugev kivim. Meteoriidid, mille atmosfääri sisenemine puutumatuna ületab, on vähem tõenäoline, kui lenduvate osakeste protsent, pooride ruum, süsinikufaasid ja niinimetatud hüdraatunud mineraalid sisaldavad suuremat protsenti - neid, mis on oma kasvu struktuuri mahutanud vett. Selliseid faase on väga palju süsihappeliste chondriitidena tuntud meteoriitides ja ka komeetides. Need objektid on seetõttu kuumutamise mõju suhtes tundlikumad ja ei suuda vastu pidada aerodünaamilistele jõududele, mida nad kogevad Maa atmosfääris liikudes. Mõnel juhul pole need muud kui lõdvalt konsolideeritud peotäis kohevat lund, kuhu on segatud mustus. Isegi kui visata sellisest materjalide segust valmistatud lumepall, võite arvata, et see laguneb õhus. See näitab, miks tavaliselt peetakse komeedi suurt proovi ilma atmosfääri sisenemise karmi rõhu ja kuumutamise mõjudeta, ilma et see sulaks, plahvataks või puruneks väga pisikesteks tükkideks. Vaatamata Maal leiduvatele suurtele meteoriidikogumikele pole teadlased siiski kindlad, et nad leidsid suure meteoriidi just komeedilt, eriti eeldatavate äärmiselt habraste struktuuride tõttu. Selle kõige tulemuseks on see, et mõned kosmosekivimid on Maal meteoriitidena üle esindatud lihtsalt seetõttu, et nende kompositsioonid taluvad paremini atmosfääri sisenemise mõju.
Katkend Stardusti püüdmisest: komeedid, asteroidid ja päikesesüsteemi sünd Natalja Starkey poolt. Autoriõigused © Natalie Starkey 2018. Väljaandja Bloomsbury Sigma, Bloomsbury Publishingi jäljend. Loal kordustrükk.
