A Catching Stardust, Natalie Starkey új könyve, feltárja kapcsolatunkat üstökösökkel és aszteroidákkal.
(Kép: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey több mint 10 éve aktívan részt vesz az űrtudomány kutatásában. Részt vett a visszatérő űrminisztériumokban, például a NASA Stardustban és a JAXA Hayabusaban, és meghívták, hogy legyen az egyik kutatócsoportja az úttörő ESA Rosetta üstökös-misszió egyik műszercsoportjaként.
Új könyve, a "Stardust elkapása" megvizsgálja, mit fedezünk fel az üstökösökkel és aszteroidákkal kapcsolatban - hogyan tanulunk róluk, és hogy a poros, jeges kőzeteknek meg kell osztaniuk a Naprendszer eredetét. Olvassa el a Q & A-t Starkey-vel az új könyvéről itt.
Az alábbiakban egy kivonat a "Stardust elkapása" című 3. fejezetből. [Az üstökös fajta legjobb közeli találkozói]
Üstökösök és aszteroidák a Földön
Az elmúlt 50 év során az űrmérés egyre fejlettebbé vált, mivel az emberek sokféle különféle tárgyat követtek el a Naprendszerünkben, hogy képeket készítsenek, megmérjenek és mintákat készítsenek. Az emberek sikeresen elhelyezték a teljesen működőképes roverot a Mars bolygón, hogy a felszínen járhassanak, fúrva és mintákat gyűjtsenek a fedélzeten lévő tudományos műszerek rakományának elemzése céljából. Egy kifinomult tudományos laboratóriumot is küldtek az űrbe egy évtizedes utazással, hogy utolérjék és fölszálljanak egy gyorshajtású üstökösre, hogy elvégezzék szikláinak, jégkristályainak és gázainak elemzését. És ez csak néhányat említ az űrkutatás legújabb fénypontjairól. Ezen előrelépések és lenyűgöző eredmények ellenére a Földön léteznek a legjobb és legkönnyebben irányítható tudományos eszközök. A probléma az, hogy ezeket a Föld műszereket nem lehet nagyon egyszerűen továbbítani az űrbe - túlságosan nehézek és érzékenyek ahhoz, hogy rakéta fedélzetén elinduljanak, és a tökéletes és szinte tökéletes körülmények között szükségesek a precíz és pontos működéshez. Az űrkörnyezet nem barátságos hely, lényeges szélsőséges hőmérsékleten és nyomáson, olyan körülmények között, amelyek nem felelnek meg a finom és néha temperamentumos laboratóriumi műszereknek.
Ennek eredményeként gyakran sok előnnyel jár az űrköves minták visszatérése a Földre gondos, átgondolt és pontos elemzés céljából, szemben a fejlett laboratóriumi műszerek űrbe történő bevezetésének kísérletével. A fő probléma azonban az, hogy a sziklák űrben történő gyűjtése és biztonságos visszatérése a Földre szintén nem egyszerű feladat. Valójában a mintából az űrből való visszatérést csak néhányszor sikerült elérni: a Holdról az Apollo és a Luna misszióval az 1970-es években, az Itokawa aszteroidával a Hayabusa misszióval és a 81P / Wild2 üstököstől a Stardust misszióval. Noha több száz kilogramm holdkőzet visszakerült a Földbe, a Hayabusa és a Stardust missziók csak kis mennyiségű kőzetmintát adtak vissza - pontosabban a por méretű töredékeket. Ennek ellenére az apró minták minden bizonnyal jobbak, mint nem minták, mivel még a kőzet is óriási mennyiségű információt tárolhat a szerkezetükben - titkokat, amelyeket a tudósok fel tudnak fedezni a Földön működő rendkívül speciális tudományos műszereikkel. [Hogyan lehet elkapni egy aszteroidát: magyarázat a NASA küldetésére (Infographic)]
Különösen a Stardust küldetés sokat ért el azzal, hogy továbbfejleszti ismereteinket a üstökösök összetételéről. A Földbe visszatért üstököspor-minták korlátozott tömegük ellenére a tudósok elkövetkező évtizedekben elfoglaltak lesznek. A küldetésről és a gyűjtött értékes mintákról a 7. fejezetben többet megtudhatunk. Szerencsére vannak jövőbeli tervek a sziklák űrből történő gyűjtésére, néhány küldetés már úton van, mások pedig finanszírozásra várnak. Ezek a missziók az aszteroidák, a Hold és a Mars látogatásait tartalmazzák, és bár mindegyik kockázatos erőfeszítésekkel jár, és nem garantálja, hogy elérik céljaikat, jó tudni, hogy remény van a minták visszatéréséről az űrből a Föld-alapú elemzéshez. a jövőben.
Az űrkövek megérkezése a Földre
Szerencsére kiderül, hogy van egy másik mód is az űrkövek mintáinak kinyerésére, és ez még nem jár a Föld biztonságos határának meghagyásával. Ennek oka az, hogy az űrkövek természetesen meteoritokként esnek a Földre. Valójában évente mintegy 40 000–80 000 tonna űrköves esik bolygónkra. Ezeket a szabad helymintákat hasonlíthatjuk a kozmikus Kinder-tojásokhoz - ezek mennyei díjakkal vannak ellátva, Naprendszerünkről szóló információkkal. A meteoritok tartalmazhatnak aszteroidák, üstökösök és más bolygók mintáit, amelyek többségét az űrhajók még nem vették mintára.
A Földre évente érkező több ezer tonna űrkőzet többsége meglehetősen kicsi, többnyire pornagyságú, amiről többet megtudhatunk a 4. fejezetben, de egyes kőzetek meglehetősen nagyok lehetnek. A Földre érkező legnagyobb köves meteoritok súlya akár 60 tonnát is elérhet, ami nagyjából megegyezik az öt emeletes buszon. A meteoritok bárhonnan származhatnak az űrből, ám ezek általában aszteroidákból származó kőzetek, amelyeket a földön leggyakrabban kavicsos méretű darabokként találnak, bár üstökösök és bolygók is megjelenhetnek. Az aszteroidák darabjai a Föld felé sérülhetnek, miután elválasztottak nagyobb szülő aszteroidájuktól az űrben, gyakran más űrtartalmú tárgyakkal való ütközés során, ami miatt teljes szétesés vagy apró darabok kopogtatása a felületükön. Az űrben, amint ezek a kis aszteroidák minták elszakadtak a szülői sziklaktól, meteroidoknak nevezik őket, és évszázadaik, ezrei, talán akár millióit is eltölthetik az űrben, egészen addig, amíg végül ütköznek egy holddal, bolygóval vagy a Napval. Amint a szikla belép egy másik bolygó légkörébe, meteorossá válik, és ha és amikor ezek a darabok elérték a Föld felületét, vagy egy másik bolygó vagy a Hold felszínét, meteoritokká válnak. Nincs semmi varázslatos, ha egy bejövő űrkőzet meteoritmá alakul. Ez egyszerűen egy név, amelyet a szikla kap, amikor az álló test felületén álló helyzetbe kerül. [Meteorviharok: Hogyan láthatók a lövöldöző csillagok művei (Infographics)]
Ha ezek a világűrök természetesen ingyenesen érkeznek a Földre, akkor kíváncsi lehet, hogy a tudósok miért zavarják az űrlátogatás problémáját, hogy egyáltalán megkíséreljék a mintavételt. Annak ellenére, hogy a Földre eső sziklák sokkal szélesebb körű mintát vesznek a Naprendszer tárgyaiból, mint amilyeneket az emberek sok életben meglátogathatnak, ezek a minták általában azokhoz vannak elfogultak, amelyek a legjobban tudják túlélni a légköri belépés súlyos hatásait. A kérdés felmerül a szélsőséges hőmérsékleti és nyomásváltozások miatt, amelyeket egy szikla vagy bármilyen tárgy tapasztalhat meg az űrből a Földre való légköri belépéskor, olyan variációk, amelyek sok esetben elegendőek egy kőzet megsemmisítésére.
A hőmérséklet változása a légköri belépés során a tárgy nagy bemeneti sebességének közvetlen következménye, amely körülbelül 10km / s-tól 70km / s-ig tarthat (25 000 - 150 000 mph). A bejövő űrkőzet problémája ezen hiperszonikus sebességgel történő utazáskor az, hogy a légkör nem tud elég gyorsan elmozdulni az útjából. Ilyen hatás hiányzik, mivel egy kőzet áthalad az űrben, egyszerűen azért, mert a tér vákuum, tehát túl kevés molekula van jelen ahhoz, hogy egymásba kopogjanak. A légkörben áthaladó kőzet puffasztó és tömörítő hatást gyakorol az általa talált molekulákra, és felhalmozódást okoz, és eloszlik az alkotóelemeikben. Ezek az atomok ionizálódnak, és így olyan izzólámpa burkolatát képezik, amelyet rendkívül magas hőmérsékleten - 20 000 ° C-ig (36,032ºF) - hevítenek fel, és körülveszik az űrtartalmú kőzetet, és ezáltal túlmelegedik. Ennek eredményeként úgy tűnik, hogy a kő ég és ég a légkörben; amit tűzlabdának vagy lövöldözőnek hívhatunk, méretétől függően.
Ennek a folyamatnak a következményei egy jelentős fizikai változást idéznek elő a bejövő kőzetben, amely valóban megkönnyíti számunkra az azonosítást, amikor meteoritré válik a Föld felszínén. Vagyis fúziós kéreg alakul ki, amely akkor alakul ki, amikor a kőzet behatol az alsó atmoszférába, és lelassul, és a levegővel történő súrlódás melegíti. A kőzet külső része megolvad, és a képződött folyadék és gáz keverékét a meteorit hátuljáról söpörjük le, és magával veszik a hőt. Miközben ez a folyamat folyamatos, és azt jelenti, hogy a hő nem tud behatolni a kőzetbe (így hővédő pajzsként viselkedik), amikor a hőmérséklet végül csökken, az olvadt „hővédő pajzs” megszilárdul, amikor az utolsó fennmaradó folyadék lehűl a kőzet felületén, és így létrejön a fúzió kéreg. Az így kapott sötét, gyakran fényes héj a meteoritokon megkülönböztető tulajdonság, amely gyakran felhasználható azok azonosítására és a szárazföldi kőzetektől való megkülönböztetésére. A fúziós kéreg kialakulása megvédi a meteorit belső részeit a hő legrosszabb hatásaitól, megőrizve az eredeti aszteroida, üstökös vagy bolygó összetételét, amelyből származik. Noha a meteoritok nagyon hasonlítanak a szüleikre, ezek nem egyeznek pontosan. A fúziós kéreg kialakulásának folyamata során a kőzet elveszíti illékonyabb alkotóelemeinek egy részét, mivel azokat a kőzet külső rétegeiben tapasztalható extrém hőmérsékleti változásokkal felforralják. A „tökéletes” minta megszerzésének egyetlen módja az, ha egy mintát közvetlenül gyűjtünk egy űrjáról és visszaszállítunk egy űrhajóban. Mivel azonban a meteoritok ingyenes minták az űrből, és minden bizonnyal bővebbek, mint az űri missziók által visszatért minták, nagyszerű lehetőséget kínálnak a tudósoknak annak kiderítésére, hogy az aszteroidák, üstökösök és még más bolygók valójában melyek. Ezért erõsen tanulmányozzák a Földön. [6 érdekes tény a Pan-STARRS üstökösről]
A fúziós kéreg kialakulása ellenére a légköri belépés hatása meglehetősen szigorú és romboló lehet. Azok a kőzetek, amelyek alacsonyabb nyomószilárdságúak vagy alacsonyabbak az összenyomásuk, kevésbé valószínű, hogy túléljék a tapasztalatokat; ha egy tárgy túlél a légkörben fellépő lassulással, akkor annak nyomószilárdságának meg kell haladnia az általa tapasztalt maximális aerodinamikai nyomást. Az aerodinamikai nyomás közvetlenül arányos a légkör helyi sűrűségével, amely attól függ, hogy melyik bolygón találkozik egy tárgy. Tehát például a Mars vékonyabb atmoszférájú, mint a Föld, és nem annyira lelassítja a beérkező tárgyakat, és megmagyarázza, hogy miért kell az űrmérnököknek nagyon gondosan elgondolkodni az űrhajók leszállásán a vörös bolygó felületén, mivel lassítórendszereik nem képesek előzetesen tesztelték a Földön.
A kő nyomószilárdságát annak összetétele határozza meg: a kőzetek ásványainak, fémeinek, széntartalmú anyagának aránya, illékony fázisok, pórusterület nagysága és annak alkotóelemeinek jó csomagolása. Például a kemény űrkőzetek, mint például a vasban gazdag aszteroidák, hajlamosak túlélni a hőmérséklet és a nyomás szélsőséges változásait, mivel nagy sebességgel sérülnek a Föld légkörén. A köves meteoritok szintén meglehetősen robusztusak, még akkor is, ha kevés vasat tartalmaznak vagy nem is tartalmaznak vasat. Noha a vas erős, ásványi ásványok is nagyon jól köthetők, hogy kemény kődarabot képezzenek. Azok a meteoritok, amelyek kevésbé valószínűek, hogy a légköri behatolás sértetlen maradjanak, azokban, amelyekben nagyobb az illékony anyagok, a pórus tér, a széntartalmú fázisok és az úgynevezett hidratált ásványok aránya - azok, amelyek beépítették a vizet növekedési struktúrájukba. Ilyen fázisok nagyon elõfordulnak a széntartalmú chondritnak nevezett meteoritokban és a üstökösökben is. Ezért ezek a tárgyak érzékenyebbek a melegítés hatásaira, és nem képesek ellenállni az aerodinamikai erőknek, amelyeket a Föld légkörén átmenő utazásuk során tapasztalnak. Bizonyos esetekben ezek nem más, mint egy lazán megszilárdult marék bolyhos hó, amelybe keveredik néhány szennyeződés. Még ha ilyen anyagkeverékből készült hógolyót dobott is, akkor azt várhatja, hogy szétesik a levegőben. Ez azt mutatja, hogy miért tartják nagy valószínűséggel, hogy egy üstökös nagy mintája nem képes túlélni a légköri belépés durva nyomását és melegítő hatásait anélkül, hogy olvadna, felrobbanna vagy nagyon apró darabokra szétesne. Mint ilyen, a Földön található nagy meteoritgyűjtemények ellenére a tudósok még mindig nem biztosak abban, hogy a meteoritot nagymértékben kimutatták egy üstökösről az elvárt rendkívül törékeny szerkezetek miatt. Mindez azt eredményezi, hogy egyes űrkőzeteket meteoritként reprezentálnak a Földön egyszerűen azért, mert összetételük jobban ellenáll a légköri behatásoknak.
Kivonat a Stardust elkapásáról: üstökösök, aszteroidák és a Naprendszer születése, Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Megjelent: Bloomsbury Sigma, a Bloomsbury Publishing lenyomata. Engedéllyel nyomtatva.
