Jauna Natalie Starkey grāmata Catching Stardust pēta mūsu attiecības ar komētām un asteroīdiem.
(Attēls: © Bloomsbury Sigma)
Natālija Starkija ir aktīvi iesaistījusies kosmosa zinātnes pētījumos vairāk nekā 10 gadus. Viņa ir bijusi iesaistīta atgriešanās kosmosa misijās, piemēram, NASA Stardust un JAXA Hayabusa, un viņa tika uzaicināta būt par līdzstrādnieku vienā no instrumentu grupām revolucionārajai ESA Rosetta komētas misijai.
Viņas jaunajā grāmatā “Catching Stardust” ir apskatīts, ko mēs atklājam par komētām un asteroīdiem - kā mēs par tām uzzinām un kas putekļainajiem, ledainajiem klintīm ir jāsadala par Saules sistēmas izcelsmi. Lasiet Q&A ar Starkey par viņas jauno grāmatu šeit.
Zemāk ir fragments no 3. nodaļas "Stardust noķeršana". [Labākie tuvākie komētas veida sastopas]
Komētas un asteroīdi uz Zemes
Pēdējo 50 gadu laikā kosmosa instrumentēšana ir kļuvusi arvien modernāka, jo cilvēki mūsu Saules sistēmā ir izvirzījuši daudz dažādu objektu, lai attēlotu, izmērītu un ņemtu paraugus. Cilvēki ir veiksmīgi novietojuši pilnībā funkcionējošu roveru uz planētas Marsa, lai klīst pa tās virsmu, urbjot un vācot paraugus, lai uz kuģa analizētu zinātnisko instrumentu kravas. Izsmalcināta zinātniskā laboratorija ir nosūtīta arī kosmosā desmit gadu ilgā ceļojumā, lai panāktu komētu un piezemētos uz ātruma pārsniegšanas komētas, lai veiktu tās iežu, ledus un gāzu analīzes. Un tas ir nosaukt tikai dažus no jaunākajiem kosmosa izpētes notikumiem. Tomēr, neskatoties uz šiem sasniegumiem un pārsteidzošajiem sasniegumiem, vislabākie un visvieglāk kontrolējamie zinātniskie instrumenti pastāv uz Zemes. Problēma ir tā, ka šos Zemes instrumentus nav viegli nosūtīt kosmosā - tie ir pārāk smagi un jutīgi, lai palaistu uz raķetes, un tiem ir nepieciešami gandrīz ideāli apstākļi, lai tos izpildītu precīzi un precīzi. Kosmosa vide nav draudzīga vieta ar ievērojamām temperatūras un spiediena galējībām, apstākļiem, kas nav piemēroti delikātiem un dažreiz temperamentīgiem laboratorijas instrumentiem.
Rezultāts ir tāds, ka kosmisko iežu paraugu atgriešanai uz Zemes bieži ir daudz priekšrocību rūpīgai, pārdomātai un precīzai analīzei, nevis mēģinājumam kosmosā palaist uzlabotus laboratorijas instrumentus. Tomēr galvenā problēma ir tā, ka akmeņu savākšana kosmosā un droša atgriešana atpakaļ uz Zemes nav arī vienkāršs uzdevums. Faktiski izlases atgriešanās no kosmosa ir sasniegta tikai dažas reizes: no Mēness ar Apollo un Luna misijām 70. gados, no asteroīda Itokawa ar misiju Hayabusa un no komētas 81P / Wild2 ar misiju Stardust. Lai arī simtiem kilogramu Mēness iežu ir atgriezti uz Zemes, Hayabusa un Stardust misijas atdeva tikai nelielu daudzumu akmeņu paraugu - lai precīzi būtu putekļu lieluma fragmenti. Tomēr sīki paraugi noteikti ir labāki nekā bez paraugiem, jo pat mazi ieži to struktūrās var saturēt milzīgu informācijas daudzumu - noslēpumus, kurus zinātnieki var atklāt ar saviem ļoti specializētajiem zinātniskajiem instrumentiem uz Zemes. [Kā noķert asteroīdu: NASA misijas skaidrojums (Infographic)]
Stardust misija jo īpaši daudz sasniedza, uzlabojot mūsu zināšanas par komētu sastāvu. Komētas putekļu paraugi, ko tā atdeva atpakaļ uz Zemi, liks zinātniekiem būt aizņemtiem vēl daudzus gadu desmitus, neskatoties uz to ierobežoto masu. Vairāk par šo misiju un tās savāktajiem dārgakmeņu paraugiem uzzināsim 7. nodaļā. Par laimi ir nākotnes plāni akmeņu savākšanai no kosmosa, dažas misijas jau ir ceļā, bet citas gaida finansējumu. Šajās misijās ietilpst asteroīdu, Mēness un Marsa apmeklējumi, un, lai arī tie visi var būt riskanti centieni, negarantējot, ka viņi sasniegs savus mērķus, ir labi zināt, ka ir cerība uz paraugu atgriešanos no kosmosa uz Zemes balstītai analīzei. nākotnē.
Kosmosa iežu ienākšana uz Zemes
Par laimi izrādās, ka ir vēl viens veids, kā iegūt kosmosa iežu paraugus, un tas pat nenozīmē drošu Zemes robežu atstāšanu. Tas notiek tāpēc, ka kosmosa ieži visu laiku dabiski nokrīt uz Zemes kā meteorīti. Faktiski uz mūsu planētas katru gadu nokrīt apmēram 40 000 līdz 80 000 tonnu kosmosa iežu. Šos brīvās vietas paraugus var pielīdzināt kosmiskajiem Kindera olām - tie ir pildīti ar debess balvām, informāciju par mūsu Saules sistēmu. Meteorītos var ietilpt asteroīdu, komētu un citu planētu paraugi, no kuriem lielāko daļu kosmosa kuģi vēl nav paņēmuši.
No tūkstošiem tonnu kosmisko iežu, kas katru gadu ierodas uz Zemes, lielākā daļa ir diezgan maza, lielākoties putekļu lieluma, no kuriem mēs uzzināsim vairāk 4. nodaļā, bet daži atsevišķi ieži var būt diezgan lieli. Daži no lielākajiem akmeņiem, kas ieradās uz Zemes, bija sasnieguši 60 tonnas, kas ir aptuveni tāds pats kā pieciem divstāvu autobusiem. Meteorīti var būt cēlušies no jebkuras vietas kosmosā, taču tie mēdz būt asteroīdu ieži, kas uz Zemes visbiežāk atrodami kā oļu lieluma gabali, kaut arī var parādīties arī komētu un planētu gabali. Asteroīdu gabali var nonākt smaganā virzienā uz Zemi pēc tam, kad kosmosā tie ir atdalījušies no sava lielākā vecāku asteroīda, bieži sadursmju laikā ar citiem kosmosa objektiem, kas var izraisīt to pilnīgu sadalīšanos vai mazu gabalu nograušanu no to virsmas. Kosmosā, kad šie mazie asteroīdu paraugi ir atdalījušies no vecāku klints, tos sauc par meteroīdiem, un viņi var pavadīt simtiem, tūkstošu, varbūt pat miljoniem gadu, ceļojot pa kosmosu, līdz galu galā saduras ar mēnesi, planētu vai Sauli. Kad klints nonāk citas planētas atmosfērā, tas kļūst par meteoru un, ja un kad šie gabali sasniedz Zemes virsmu vai citas planētas vai Mēness virsmu, tie kļūst par meteorītiem. Nav nekā maģiska par to, ka ienākošais kosmiskais iezis pārvēršas par meteorītu, tas ir vienkārši vārds, kuru klints saņem, kad tas nekustīgi nonāk uz ķermeņa virsmas, ar kuru tas sastopas. [Meteoru vētras: Kā “Šaujošu zvaigžņu” darbu attēlošana ar lielu izmēru (infografika)]
Ja visi šie kosmosa ieži dabiski nokļūst uz Zemes bez maksas, tad jums varētu rasties jautājums, kāpēc zinātnieki uztraucas doties uz nepatikšanām, apmeklējot kosmosu, lai vispār mēģinātu ņemt paraugus. Neskatoties uz to, ka klintis, kas nokrīt uz Zemes, daudzos dzīves periodos paraugās daudz plašākā Saules sistēmas objektu klāstā, nekā cilvēki var apmeklēt, šie paraugi mēdz būt novirzīti pret tiem, kas vislabāk spēj pārdzīvot atmosfēras iekļūšanas skarbos efektus. Šī problēma rodas ārkārtēju temperatūras un spiediena izmaiņu dēļ, ko klintis vai jebkurš objekts piedzīvo atmosfēras ievades laikā no kosmosa uz Zemi, variācijas, kas ir pietiekami lielas, lai daudzos gadījumos pilnībā iznīcinātu iežu.
Temperatūras izmaiņas atmosfēras ievades laikā notiek objekta lielā ienākošā ātruma tiešā rezultātā, kas var būt jebkur no aptuveni 10 km / s līdz 70 km / s (no 25 000 līdz 150 000 jūdzēm). Ienākošā kosmosa ieža problēma, ceļojot ar šiem hiperskaņas ātrumiem, ir tāda, ka atmosfēra nevar pietiekami ātri izkustēties no ceļa. Šāds efekts nepastāv, jo klints pārvietojas pa kosmosu vienkārši tāpēc, ka kosmoss ir vakuums, tāpēc ir pārāk maz molekulu, lai tās varētu pieklauvēt viena otrai. Klintīm, kas pārvietojas atmosfērā, ir bufetes un saspiešanas ietekme uz molekulām, ar kurām tā sastopas, liekot tām sakrāties un sadalīties savos komponentu atomos. Šie atomi jonizējas, lai iegūtu kvēlspuldzes apvalku, kas tiek uzkarsēts līdz ārkārtīgi augstām temperatūrām - līdz 20 000 grādiem C (36,032ºF) - un apņem kosmosa iežu, izraisot tā pārkaršanu. Rezultāts ir tāds, ka klintis deg un atmosfērā mirdz; ko mēs varētu saukt par ugunsbumbu vai šaušanas zvaigzni, atkarībā no tā lieluma.
Šī procesa sekas rada ievērojamas ienākošo klinšu fiziskas izmaiņas, kuras faktiski mums ir vieglāk identificēt, kad tas Zemes virsmā kļūst par meteorītu. Tas ir, saplūstošās garozas veidošanās, kas attīstās, iežam nokļūstot zemākajā atmosfērā, un to palēnina un silda berze ar gaisu. Akmens ārējā daļa sāk izkausēt, un veidojošais šķidruma un gāzes maisījums tiek aizslaucīts no meteorīta aizmugures, uzņemot siltumu. Kamēr šis process ir nepārtraukts un nozīmē, ka siltums nevar iekļūt iežos (tādējādi darbojas kā siltuma vairogs), kad temperatūra beidzot pazeminās, izkausētais “siltuma vairogs” sacietē, kad pēdējais atlikušais šķidrums atdziest klints virsmā, veidojot saplūšanu garoza. Iegūtā tumšā, bieži spīdīgā, meteorītu miza ir atšķirīga iezīme, kuru bieži var izmantot, lai palīdzētu tos identificēt un atšķirt no zemes iežiem. Kodolsintēzes garozas veidošanās aizsargā meteorīta iekšējās daļas no vissliktākās karstuma ietekmes, saglabājot sākotnējā asteroīda, komētas vai planētas sastāvu, no kuras tā radusies. Tomēr, kaut arī meteorīti ļoti līdzinās viņu vecākiem, tie nav precīzi. Kausēšanas garozas veidošanās laikā iezis zaudē dažus no gaistošākajiem komponentiem, jo tie tiek vārīti līdz ar ekstrēmām temperatūras izmaiņām, kas rodas klinšu ārējos slāņos. Vienīgais veids, kā iegūt “perfektu” paraugu, būtu to savākt tieši no kosmosa objekta un nodot atpakaļ kosmosa kuģī. Tomēr, tā kā meteorīti ir brīvi paraugi no kosmosa un noteikti ir daudz bagātīgāki nekā paraugi, ko atgriezušās kosmosa misijas, tie zinātniekiem piedāvā lielisku iespēju uzzināt, no kuriem patiesībā ir izgatavoti asteroīdi, komētas un pat citas planētas. Šī iemesla dēļ tie ir ļoti pētīti uz Zemes. [6 jautri fakti par komētu Pan-STARRS]
Neskatoties uz kodolsintēzes garozas veidošanos, atmosfēras iekļūšanas sekas var būt diezgan skarbas un destruktīvas. Tie ieži ar zemāku spiedes vai zemāku drupināšanas izturību ir mazāka iespēja pārdzīvot pieredzi; ja objekts pārdzīvo palēninājumu caur atmosfēru, tad tā spiedes stiprumam jābūt lielākam par maksimālo aerodinamisko spiedienu, ko tas izjūt. Aerodinamiskais spiediens ir tieši proporcionāls atmosfēras vietējam blīvumam, kas ir atkarīgs no tā, kuru planētu objekts sastopas. Tā, piemēram, Marsā ir plānāka atmosfēra nekā Zeme, kas neveicina tik daudz palēnināt ienākošos objektus, un tas izskaidro, kāpēc kosmosa inženieriem ļoti rūpīgi jādomā par kosmosa kuģu nolaišanos uz sarkanās planētas virsmas, jo viņu palēnināšanas sistēmas nevar iepriekš pārbaudīts uz Zemes.
Akmeņu spiedes stiprību kontrolē tā sastāvs: tā sastāv no iežu minerāliem, metāliem, oglekļa materiāla, gaistošajām fāzēm, poru daudzuma un tā, cik labi tā sastāvdaļas ir iesaiņotas kopā. Piemēram, izturīgajiem kosmosa iežiem, piemēram, no dzelzs bagātajiem asteroīdiem, ir tendence izdzīvot ārkārtējās temperatūras un spiediena izmaiņās, jo tie ar lielu ātrumu strauji plūst caur Zemes atmosfēru. Arī akmeņainie meteorīti ir diezgan izturīgi pat tad, ja tajos ir maz dzelzs vai bez tiem. Lai arī dzelzs ir stiprs, arī pašus iežu minerālus var ļoti labi saistīt, lai izveidotu grūts akmens gabalu. Meteorīti, kuriem ir mazāka iespēja, ka atmosfēras iekļūšana būs neskarta, ir tie, kuros ir lielāks gaistošo vielu procents, poru telpa, oglekļa fāzes un tā sauktie hidratētie minerāli - tie, kas savā augšanas struktūrā ir ielikuši ūdeni. Šādas fāzes ir ļoti daudz meteorītos, kas pazīstami kā oglekļa hondrīti, kā arī komētās. Tādēļ šie objekti ir jutīgāki pret sildīšanas iedarbību un nevar izturēt aerodinamiskos spēkus, ko viņi piedzīvo, pārvietojoties pa Zemes atmosfēru. Dažos gadījumos tie nav nekas cits kā brīvi nostiprināta nedaudz pūkaina sniega, kurā ir sajaukti netīrumi. Pat ja jūs izmetāt sniega bumbiņu, kas izgatavota no šāda materiālu maisījuma, jūs varētu sagaidīt, ka tā sadalīsies gaisā. Tas parāda, kāpēc parasti tiek uzskatīts, ka lielam komētas paraugam neizdosies izjust atmosfēras ievades spēcīgo spiedienu un karsēšanas efektus, neizkausējot, eksplodējot vai nesadalot ļoti sīkos gabaliņos. Kā tādi, neskatoties uz lielajām meteorītu kolekcijām uz Zemes, zinātnieki joprojām nav pārliecināti, vai viņi ir atraduši lielu meteorītu tieši no komētas to ārkārtīgi trauslo struktūru dēļ, kas, kā paredzēts, viņus sagaida. Visa tā rezultāts ir tāds, ka daži kosmosa ieži ir pārāk pārstāvēti kā meteorīti uz Zemes tikai tāpēc, ka to kompozīcijas labāk iztur atmosfēras iekļūšanu.
Izvilkums no Stardust noķeršanas: komētas, asteroīdi un Saules sistēmas dzimšana, ko veidojusi Natālija Starkija. Autortiesības © Natalie Starkey 2018. Publicējis Bloomsbury Sigma, Bloomsbury Publishing nospiedums. Pārpublicēts ar atļauju.
