Catching Stardust, en ny bok av Natalie Starkey, utforsker forholdet vårt til kometer og asteroider.
(Bilde: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey har vært aktivt involvert i romforskningsforskning i mer enn 10 år. Hun har vært involvert i prøve-retur romfartsoppdrag, som NASA Stardust og JAXA Hayabusa, og hun ble invitert til å være en medetterforsker på et av instrumentteamene for det banebrytende ESA Rosetta kometoppdraget.
Hennes nye bok, "Catching Stardust", undersøker hva vi oppdager om kometer og asteroider - hvordan vi lærer om dem og hva de støvete, isete bergartene har å dele om solsystemets opprinnelse. Les en spørsmål og svar med Starkey om hennes nye bok her.
Nedenfor er et utdrag fra kapittel 3 av "Catching Stardust." [Beste nære møter av kometens slag]
Kometer og asteroider på jorden
I løpet av de siste 50 årene har rominstrumenteringen blitt mer og mer avansert ettersom mennesker har forfulgt et variert antall forskjellige objekter i vårt solsystem for å avbilde, måle og prøve. Mennesker har med hell plassert en fullt fungerende rover på planeten Mars for å streife over overflaten, bore og samle prøver for å analysere ombord sin last av vitenskapelige instrumenter. Et sofistikert vitenskapelig laboratorium er også blitt sendt ut i verdensrommet på en tiår lang reise for å ta igjen og lande på en fartskomet for å utføre analyser av bergarter, iser og gasser. Og dette er for bare å nevne noen av de nyere høydepunktene i romutforskning. Til tross for disse fremskrittene og fantastiske prestasjonene, finnes de beste og lettest kontrollerte vitenskapelige instrumentene på jorden. Problemet er at disse jordinstrumentene ikke kan sendes ut i verdensrommet veldig lett - de er for tunge og følsomme til å skyte ombord i en rakett, og de trenger nesten perfekte forhold for å utføre med presisjon og nøyaktighet. Rommiljøet er ikke et vennlig sted, med betydelige ytterpunkter i temperatur og trykk, forhold som ikke er egnet til delikate og til tider temperamentsfulle laboratorieinstrumenter.
Resultatet er at det ofte er mange fordeler med å bringe rombergprøver tilbake til Jorden for nøye, vurdert og presis analyse, i motsetning til å forsøke å lansere avanserte laboratorieinstrumenter ut i verdensrommet. Det største problemet er imidlertid at det heller ikke er noen enkel oppgave å samle bergarter i verdensrommet og bringe dem trygt tilbake til jorden. Faktisk er prøvenes retur fra verdensrommet bare oppnådd noen få ganger: fra Månen med Apollo- og Luna-oppdragene på 1970-tallet, fra asteroiden Itokawa med Hayabusa-oppdraget og fra kometen 81P / Wild2 med Stardust-oppdraget. Selv om hundrevis av kilo måneberg har blitt returnert til jorden, ga Hayabusa- og Stardust-oppdragene bare små mengder steinprøve - fragmenter av støvstørrelse for å være presise. Fortsatt er små prøver absolutt bedre enn ingen prøver, da selv små bergarter kan inneholde en enorm mengde informasjon i strukturer - hemmeligheter som forskere kan låse opp med sine høyt spesialiserte vitenskapelige instrumenter på jorden. [How to Catch a Asteroid: NASA Mission Explained (Infographic)]
Stardust-oppdraget oppnådde spesielt mye med å øke kunnskapen om kometenes sammensetning. Kometstøvprøvene den returnerte til jorden vil holde forskere opptatt i mange tiår fremover, til tross for deres begrensede masse. Vi vil lære mer om dette oppdraget, og de dyrebare prøvene den samlet inn, i kapittel 7. Heldigvis er det fremtidige planer for å samle bergarter fra verdensrommet, med noen oppdrag allerede på vei og andre som venter på finansiering. Disse oppdragene inkluderer besøk til asteroider, Månen og Mars, og selv om de alle kan være risikable bestrebelser uten garanti for at de vil oppnå sine mål, er det godt å vite at det er håp for retur av prøver fra verdensrommet for jordbasert analyse i fremtiden.
Ankomsten av rom bergarter på jorden
Heldigvis viser det seg at det er en annen måte å skaffe prøver av rombergarter på, og at det ikke engang innebærer å forlate jordens trygge grenser. Dette fordi rombergarter naturlig faller på jorden som meteoritter hele tiden. Faktisk faller rundt 40.000 til 80.000 tonn rombergarter på planeten vår hvert år. Disse ledige plassprøvene kan sammenlignes med kosmiske Kinder Egg - de er fullpakket med himmelske priser, informasjon om vårt solsystem. Meteoritter kan inkludere prøver av asteroider, kometer og andre planeter, hvorav de fleste ikke er prøvetatt av romfartøyer ennå.
Av de tusenvis av tonn romberg som ankommer jorden hvert år, er flertallet ganske små, for det meste støvstore, hvorav vi vil lære mer i kapittel 4, men noen individuelle bergarter kan være ganske store. Noen av de største steinete meteorittene som ankom jorden har vært opptil 60 tonn i vekt, noe som er omtrent det samme som fem dobbeltdekkerbusser. Meteoritter kan stamme fra hvor som helst i verdensrommet, men det har en tendens til å være steiner fra asteroider som oftest finnes på jorden som småsteinstykker, selv om det også kan vises biter av kometer og planeter. Biter av asteroider kan ende opp med å kaste seg mot Jorden etter at de har brutt av fra sin større foreldre-asteroide i rommet, ofte under kollisjoner med andre romgjenstander, noe som kan føre til at de bryter helt fra hverandre eller for at små biter blir banket fra overflatene. I verdensrommet, når disse små prøvene av asteroider har brutt vekk fra foreldrebergarten, kalles de meteroider, og de kan bruke hundrevis, tusenvis, kanskje til og med millioner av år på å reise gjennom verdensrommet til de til slutt kolliderer med en måne, en planet eller solen. Når berget kommer inn i atmosfæren til en annen planet blir det en meteor, og hvis og når disse brikkene når jordoverflaten, eller overflaten til en annen planet eller måne, blir de meteoritter. Det er ikke noe magisk ved at et innkommende rombergart blir til en meteoritt, det er ganske enkelt et navn berget får når det blir stasjonært på overflaten av kroppen den møter. [Meteor Storms: How Supersized Displays of 'Shooting Stars' Work (Infographics)]
Hvis alle disse rombergartene naturlig kommer til jorden gratis, kan du lure på hvorfor forskere gidder å bry seg med å besøke verdensrommet for å prøve prøvetaking i det hele tatt. Til tross for at bergartene som faller til jorden prøver et mye større utvalg av solsystemobjekter enn mennesker kan besøke i mange levetider, har disse prøvene en tendens til å være partiske mot de som best kan overleve de harde effektene av atmosfærisk inntreden. Problemet oppstår på grunn av de ekstreme temperatur- og trykkendringene som en bergart, eller en hvilken som helst gjenstand, opplever under atmosfærisk inntog fra verdensrommet til jorden, variasjoner som er store nok til å utslette en bergart i mange tilfeller.
Temperaturendringer under atmosfærisk inntreden oppstår som et direkte resultat av den høye innkommende hastigheten til objektet, som kan være hvor som helst fra 10 km / s til 70 km / s (25 000 mph til 150,000 mph). Problemet med den innkommende romfargen når du reiser med disse hypersoniske hastighetene er at atmosfæren ikke kan bevege seg raskt ut av veien. En slik effekt er fraværende når en bergart beveger seg gjennom verdensrommet, ganske enkelt fordi verdensrommet er et vakuum, så det er for få molekyler til å banke inn i hverandre. En bergart som beveger seg gjennom en atmosfære har en buffende og komprimerende effekt på molekylene den møter, og får dem til å hoper seg opp og dissosieres i komponentatomene. Disse atomene ioniserer for å produsere et kappe av glødende plasma som blir oppvarmet til ekstremt høye temperaturer - opptil 20 000 grader (36,032 ºF) - og innhyller rombergarten og får den til å bli superoppvarmet. Resultatet er at berget ser ut til å brenne og glød i atmosfæren; hva vi kan kalle en ildkule eller et stjerneskudd, avhengig av størrelsen.
Effektene av denne prosessen medfører en bemerkelsesverdig fysisk endring av det innkommende fjellet, en som faktisk gjør det lettere for oss å identifisere når det blir en meteoritt på jordoverflaten. Det vil si dannelsen av en fusjonsskorpe, som utvikler seg når bergarten trenger gjennom den nedre atmosfæren og bremses opp og varmes opp av friksjon med luften. Den ytre delen av berget begynner å smelte, og blandingen av væske og gass som dannes blir feid av baksiden av meteoritten, og tar varmen med seg. Mens denne prosessen er kontinuerlig og betyr at varmen ikke kan trenge gjennom fjellet (og dermed fungere som et varmeskjold), når temperaturen til slutt synker, størkner det smeltede 'varmeskjoldet' når den siste gjenværende væske avkjøles på fjelloverflaten for å danne fusjon skorpe. Den resulterende mørke, ofte skinnende, skorpen på meteoritter er et særtrekk som ofte kan brukes til å identifisere dem og til å skille dem bortsett fra landsteiner. Dannelsen av fusjonsskorpen beskytter de indre delene av meteoritten mot de verste effektene av varmen, og bevarer sammensetningen av den overordnede asteroiden, kometen eller planeten den stammer fra. Selv om meteoritter ligner foreldrene sine, er de imidlertid ikke en nøyaktig match. I prosessen med å danne fusjonsskorpen mister bergarten noen av de mer flyktige komponentene når de blir kokt av de ekstreme temperaturendringene som oppleves i bergets ytre lag. Den eneste måten å få en 'perfekt' prøve ville være å samle en direkte fra et romobjekt og returnere den i et romskip. Siden meteoritter er frie prøver fra verdensrommet, og absolutt mer rikelig enn prøver returnert av romoppdrag, tilbyr de forskere en flott mulighet til å finne ut hva asteroider, kometer og til og med andre planeter egentlig er laget av. De er sterkt studert på jorden av denne grunn. [6 morsomme fakta om Comet Pan-STARRS]
Til tross for dannelsen av en fusjonsskorpe, kan virkningene av atmosfærisk inntreden være ganske tøffe og ødeleggende. Disse bergartene med lavere styrke eller lavere knusing styrke er mindre sannsynlig å overleve opplevelsen; Hvis en gjenstand overlever retardasjon gjennom atmosfæren, må dens trykkstyrke være mer enn det maksimale aerodynamiske trykket det opplever. Aerodynamisk trykk er direkte proporsjonalt med den lokale tettheten av atmosfæren, som er avhengig av hvilken planet en gjenstand møter. Så for eksempel har Mars en tynnere atmosfære enn Jorden som ikke virker for å bremse innkommende gjenstander like mye og forklarer hvorfor romingeniører må tenke veldig nøye på landing av romfartøyer på den røde planetens overflate, siden deres retardasjonssystemer ikke kan bli forhånds testet på jorden.
Bergens trykkfasthet styres av dens sammensetning: dens andel bergmineraler, metaller, karbonholdig materiale, flyktige faser, mengde poreplass og hvor godt komponentmaterialene deres er pakket sammen. For eksempel har hardharde rombergarter, som de fra de jernrike asteroidene, en tendens til å overleve de ekstreme temperatur- og trykkendringene når de siver i stor hastighet gjennom jordas atmosfære. De steinete meteorittene er også ganske robuste, selv når de inneholder lite eller ingen jern. Selv om jern er sterkt, kan bergmineraler i seg selv være veldig godt bundet for å skape et tøft berg. Meteorittene som har mindre sannsynlighet for å overleve intakt atmosfære er de som inneholder en høyere prosentandel av flyktige stoffer, porerom, karbonholdige faser og såkalte hydratiserte mineraler - de som har plass til vann i vekststrukturen. Slike faser er i stor forekomst i meteorittene kjent som karbonholdige kondriter og også kometene. Disse gjenstandene er derfor mer følsomme for virkningene av oppvarming og tåler ikke de aerodynamiske kreftene de opplever når de ferdes gjennom jordas atmosfære. I noen tilfeller er de ikke noe mer enn en løst sammensatt håndfull myk snø med litt skitt blandet i. Selv om du kastet en snøball laget av en slik blanding av materialer, kan du forvente at den vil gå i oppløsning. Dette demonstrerer hvorfor en stor prøve av en komet generelt anses som usannsynlig å overleve det harde trykket og varmeeffekten av atmosfærisk inntreden uten å smelte, eksplodere eller bryte opp i veldig små biter. Til tross for de store samlingene av meteoritter på jorden, er forskere fremdeles ikke sikre på at de har funnet en stor meteoritt spesifikt fra en komet på grunn av de ekstremt skjøre strukturer de forventes å ha. Resultatet av alt dette er at noen rombergarter er overrepresentert som meteoritter på jorden ganske enkelt fordi komposisjonene deres tåler effektene av atmosfærisk inntreden bedre.
Utdrag fra Catching Stardust: Comets, Asteroids and the Birth of the Solar System av Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Publisert av Bloomsbury Sigma, et avtrykk av Bloomsbury Publishing. Trykt på nytt med tillatelse.
