Úlovok Stardust, nová kniha Natalie Starkeyovej, skúma náš vzťah s kométami a asteroidmi.
(Obrázok: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey sa aktívne podieľa na výskume v oblasti vesmíru už viac ako 10 rokov. Zapojila sa do vesmírnych misií s návratom vzoriek, ako sú NASA Stardust a JAXA Hayabusa, a bola pozvaná, aby bola spoluřešiteľkou jedného z prístrojových tímov pre priekopnícku misiu ESA Rosetta.
Jej nová kniha „Chytanie hviezdnych hviezd“ skúma to, čo objavujeme o kométach a asteroidoch - ako sa o nich dozvedáme a čo sa musí o prašných, ľadových horninách deliť o pôvode slnečnej sústavy. Prečítajte si otázky a odpovede so Starkey o jej novej knihe tu.
Nižšie je uvedený výňatok z kapitoly 3 „Zachytávacia hviezdica“. [Najlepšie blízke stretnutia typu kométy]
Kométy a asteroidy na Zemi
V priebehu posledných 50 rokov sa vesmírna inštrumentácia stala čoraz pokročilejšou, pretože ľudia sledovali v našej slnečnej sústave rôzny počet rôznych objektov na snímanie, meranie a vzorkovanie. Ľudia úspešne umiestnili plne funkčný rover na planéte Mars, ktorý sa túlal po jeho povrchu, vŕtal a zbieral vzorky na analýzu svojho nákladu vedeckých nástrojov na palube. Desaťročná cesta bola vyslaná do vesmíru sofistikované vedecké laboratórium, aby dohonila a pristála na urýchľovacej kométe, aby vykonala analýzy svojich hornín, ľadovcov a plynov. A to je menovať len niektoré z najnovších vrcholov prieskumu vesmíru. Napriek týmto pokrokom a úžasným úspechom však na Zemi existujú najlepšie a najľahšie kontrolované vedecké nástroje. Problém je v tom, že tieto pozemské prístroje nemožno veľmi ľahko poslať do vesmíru - sú príliš ťažké a citlivé na to, aby spustili na palubu rakety, a na dosiahnutie presnosti a presnosti potrebujú takmer dokonalé podmienky. Vesmírne prostredie nie je priateľské miesto so značnými extrémami teploty a tlaku, podmienok, ktoré nie sú vhodné na chúlostivé a niekedy temperamentné laboratórne prístroje.
Výsledkom je, že často existuje veľa výhod, ktoré prinášajú vzorky vesmírnych hornín späť na Zem na dôkladnú, uváženú a presnú analýzu, na rozdiel od pokusu o spustenie moderných laboratórnych prístrojov do vesmíru. Hlavným problémom však je, že zhromažďovanie hornín vo vesmíre a ich bezpečné privádzanie späť na Zem nie je jednoduchou úlohou. Vzorový návrat z vesmíru sa v skutočnosti dosiahol iba niekoľkokrát: z Mesiaca s misiami Apollo a Luna v 70. rokoch, z asteroidu Itokawa s misiou Hayabusa a z kométy 81P / Wild2 s misiou Stardust. Aj keď sa na Zem vrátili stovky kilogramov mesačnej horniny, misie Hayabusa a Stardust vrátili iba nepatrné množstvo vzorky hornín - presnejšie fragmenty prachu. Drobné vzorky sú stále určite lepšie ako žiadne vzorky, pretože dokonca aj malé kamene dokážu udržať vo svojich štruktúrach obrovské množstvo informácií - tajomstvá, ktoré môžu vedci odomknúť pomocou svojich vysoko špecializovaných vedeckých nástrojov na Zemi. [Ako chytiť asteroid: Vysvetlenie misie NASA (Infographic)]
Najmä misia Stardust dosiahla veľa pri rozvíjaní našich znalostí o zložení komét. Vzorky prachu z kométy, ktoré sa vrátili na Zem, budú vedci zaneprázdnení mnoho desaťročí, napriek ich obmedzenej hmotnosti. Dozvieme sa viac o tejto misii a o hodnotných vzorkách, ktoré zhromaždila, v kapitole 7. Našťastie existujú plány do budúcnosti na zber hornín z vesmíru, pričom niektoré misie už sú na ceste a iné čakajú na financovanie. Tieto misie zahŕňajú návštevy asteroidov, Mesiaca a Marsu, a hoci všetci môžu byť riskantným úsilím bez záruky, že dosiahnu svoje ciele, je dobré vedieť, že existuje nádej na návrat vzoriek z vesmíru na analýzu na Zemi. v budúcnosti.
Príchod vesmírnych hornín na Zemi
Našťastie sa ukazuje, že existuje iný spôsob, ako získať vzorky vesmírnych hornín, a to ani nezahŕňa opustenie bezpečných hraníc Zeme. Dôvodom je, že vesmírne horniny prirodzene padajú na Zem ako meteority stále. V skutočnosti každý rok na našu planétu pripadá približne 40 000 až 80 000 ton vesmírnych hornín. Tieto vzorky voľného priestoru možno prirovnať k kozmickým druhom Kinder Eggs - sú plné nebeských cien, informácií o našej slnečnej sústave. Meteority môžu zahŕňať vzorky asteroidov, komét a iných planét, z ktorých väčšina ešte nebola vzorkovaná kozmickou loďou.
Z tisícov ton vesmírnych hornín, ktoré prichádzajú na Zem každý rok, je väčšina pomerne malá, zväčša prachová, z ktorých sa dozvieme viac v kapitole 4, ale niektoré jednotlivé horniny môžu byť dosť veľké. Niektoré z najväčších kamenných meteoritov, ktoré dorazia na Zem, mali hmotnosť až 60 ton, čo je približne rovnaké ako päť poschodových autobusov. Meteority môžu pochádzať odkiaľkoľvek vo vesmíre, ale sú to skaly z asteroidov, ktoré sa najčastejšie nachádzajú na Zemi ako kamienkové kúsky, hoci sa môžu objaviť aj kúsky komét a planét. Kusy asteroidov sa môžu zhadzovať smerom k Zemi potom, čo sa oddelili od väčších rodičovských asteroidov v priestore, často pri zrážkach s inými vesmírnymi objektmi, čo môže spôsobiť úplné roztrhnutie alebo odlomenie malých kúskov z ich povrchov. Vo vesmíre, keď sa tieto malé vzorky asteroidov odtrhnú od svojej materskej skaly, nazývajú sa meteroidy a môžu tráviť stovky, tisíce, možno milióny rokov cestovaním vesmírom, až kým sa nakoniec nestretnú s mesiacom, planétou alebo Slnkom. Keď hornina vstupuje do atmosféry inej planéty, stáva sa meteorom a ak a keď tieto kúsky dosiahnu povrch Zeme alebo povrch inej planéty alebo Mesiaca, stanú sa meteoritmi. Neexistuje nič magické o tom, že sa prichádzajúca vesmírna hornina mení na meteorit, je to jednoducho meno, ktoré dostane, keď sa stane stacionárnou na povrchu tela, s ktorým sa stretáva. [Meteor Storms: Ako fungujú supersized displeje „Shooting Stars“ (Infografika)]
Ak všetky tieto vesmírne horniny prirodzene prichádzajú na Zem zadarmo, potom by vás zaujímalo, prečo sa vedci obťažujú ísť do problémov s návštevou vesmíru a pokúsiť sa vôbec vyskúšať vzorkovanie. Napriek tomu, že horniny dopadajúce na Zem vzorkujú omnoho širší rozsah objektov slnečnej sústavy ako ľudia môžu navštíviť v mnohých životoch, tieto vzorky majú tendenciu byť sklonené smerom k tým, ktoré najlepšie prežijú drsné účinky atmosférického vstupu. Tento problém vyvstáva z dôvodu extrémnych zmien teploty a tlaku, ktoré hornina alebo akýkoľvek objekt pociťuje počas atmosférického vstupu z vesmíru na Zem, variácie, ktoré sú dosť veľké na to, aby v mnohých prípadoch horninu úplne zničili.
K teplotným zmenám počas atmosférického vstupu dochádza priamo v dôsledku vysokej vstupnej rýchlosti objektu, ktorá môže byť kdekoľvek od približne 10 km / s do 70 km / s (25 000 mph až 150 000 mph). Problém pre prichádzajúcu vesmírnu horninu pri cestovaní týmito hypersonickými rýchlosťami je v tom, že sa atmosféra nemôže dostatočne rýchlo vymaniť z cesty. Takýto efekt chýba, pretože hornina prechádza priestorom, jednoducho preto, že priestor je vákuum, takže je prítomných príliš málo molekúl, ktoré by sa mohli k sebe zraziť. Hornina, ktorá prechádza atmosférou, má na molekuly, s ktorými sa stretáva, bufetový a kompresný účinok, čo spôsobuje, že sa hromadí a disociujú na atómy ich zložiek. Tieto atómy ionizujú a vytvárajú plášť žiarovky, ktorá je zahrievaná na extrémne vysoké teploty - až 20 000 ° C (36 032 ° F) - a obaluje vesmírnu horninu, čo spôsobuje jej prehriatie. Výsledkom je, že hornina v atmosfére horí a žiari; čo by sme mohli nazvať ohnivou guľou alebo streleckou hviezdou v závislosti od jej veľkosti.
Účinky tohto procesu spôsobujú pozoruhodnú fyzickú zmenu prichádzajúcej horniny, ktorá nám v skutočnosti uľahčuje identifikáciu, kedy sa stane meteoritom na povrchu Zeme. To znamená, že sa vytvorí fúzna kôra, ktorá sa vyvíja, keď hornina preniká do nižšej atmosféry a je spomalená a zahrievaná trením so vzduchom. Vonkajšia časť horniny sa začne topiť a zmes kvapaliny a plynu, ktorá sa tvorí, sa zmietne zo zadnej časti meteoritu, pričom s ňou zahreje. Aj keď je tento proces nepretržitý a znamená, že teplo nemôže preniknúť do horniny (teda pôsobiť ako tepelný štít), keď teplota konečne klesne, roztavený tepelný štít stuhne, keď sa posledná zostávajúca kvapalina ochladzuje na povrchu horniny, aby sa vytvorila fúzia. kôra. Výsledná tmavá, často lesklá koža na meteoritoch je charakteristická črta, ktorú je možné často použiť na ich identifikáciu a na odlíšenie od pozemských hornín. Tvorba fúznej kôry chráni vnútorné časti meteoritu pred najhoršími účinkami tepla, pričom zachováva zloženie materského asteroidu, kométy alebo planéty, z ktorej pochádza. Napriek tomu, že meteority sa veľmi podobajú svojim rodičom, nejde o presný zápas. Pri procese vytvárania fúznej kôry hornina stráca niektoré zo svojich prchavejších zložiek, pretože sa vrú s extrémnymi zmenami teploty, ktoré sa vyskytujú vo vonkajších vrstvách horniny. Jediným spôsobom, ako získať „dokonalú“ vzorku, by bolo zhromaždiť jednu priamo z vesmírneho objektu a vrátiť ju v kozmickej lodi. Keďže sú však meteority bezplatné vzorky z vesmíru a určite ich je viac ako vzorky vrátené vesmírnymi misiami, ponúkajú vedcom vynikajúcu príležitosť zistiť, z čoho sú asteroidy, kométy a dokonca aj ďalšie planéty skutočne vyrobené. Z tohto dôvodu sú na Zemi intenzívne študovaní. [6 zábavných faktov o kométe Pan-STARRS]
Napriek vytvoreniu fúznej kôry môžu byť účinky vstupu do atmosféry dosť tvrdé a deštruktívne. Horniny s nižšou pevnosťou v tlaku alebo s nižšou drvivosťou sú menej pravdepodobné, že prežijú zážitok; ak predmet prežije spomalenie atmosférou, musí byť jeho pevnosť v tlaku väčšia ako maximálny aerodynamický tlak, ktorý zažije. Aerodynamický tlak je priamo úmerný miestnej hustote atmosféry, ktorá je závislá od toho, na ktorú planétu sa predmet stretne. Napríklad, Mars má napríklad tenšiu atmosféru ako Zem, ktorá nepôsobí tak, aby spomaľovala prichádzajúce objekty toľko, a vysvetľuje, prečo musia vesmírni inžinieri veľmi starostlivo premýšľať o pristávaní kozmickej lode na povrch červenej planéty, pretože ich systémy spomalenia nemôžu byť vopred otestovaný na Zemi.
Pevnosť horniny v tlaku sa riadi jej zložením: pomer minerálov hornín, kovov, uhlíkatého materiálu, prchavých fáz, množstva pórovitého priestoru a toho, ako sú jednotlivé materiály, z ktorých sa skladajú, balené spolu. Napríklad, otužilé vesmírne horniny, ako sú napríklad asteroidy bohaté na železo, majú tendenciu prežiť extrémne zmeny teploty a tlaku, keď prúdia veľkou rýchlosťou cez zemskú atmosféru. Kamenné meteority sú tiež dosť robustné, aj keď obsahujú málo alebo žiadne železo. Aj keď je železo silné, samotné horninové minerály môžu byť veľmi dobre spojené, aby tiež vytvorili pevný kúsok horniny. Meteority, ktoré s menšou pravdepodobnosťou prežijú pri atmosférickom vstupe, sú tie, ktoré obsahujú vyššie percento prchavých látok, pórovitý priestor, uhlíkaté fázy a tzv. Hydratované minerály - tie, ktoré do svojej rastovej štruktúry zachytili vodu. Takéto fázy sú vo veľkom množstve v meteoritoch známych ako uhlíkaté chondrity a tiež kométy. Tieto objekty sú preto citlivejšie na účinky zahrievania a nemôžu odolať aerodynamickým silám, ktoré zažívajú pri cestovaní atmosférou Zeme. V niektorých prípadoch to nie je nič viac ako voľne konsolidovaná hrsť našuchoreného snehu, v ktorej je zamiešaná špina. Aj keby ste hodili snehovú guľu vyrobenú z takejto zmesi materiálov, môžete očakávať, že sa rozpadne vo vzduchu. To dokazuje, prečo sa veľká vzorka kométy vo všeobecnosti považuje za nepravdepodobnú, že prežije tvrdé tlaky a účinky zahrievania atmosférického vstupu bez toho, aby sa roztavila, vybuchla alebo rozpadla na veľmi malé kúsky. Vedci si napriek veľkým zbierkam meteoritov na Zemi stále nie sú istí, že našli veľký meteorit špecificky z kométy kvôli extrémne krehkým štruktúram, ktoré sa od nich očakávajú. Výsledkom toho všetkého je, že niektoré vesmírne horniny sú na Zemi zastúpené ako meteority jednoducho preto, že ich zloženie lepšie odoláva účinkom atmosférického vstupu.
Výňatok z úlovku Stardust: Kométy, asteroidy a zrodenie slnečnej sústavy Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Vydavateľ Bloomsbury Sigma, odtlačok vydavateľstva Bloomsbury Publishing. Pretlač so súhlasom.
