Catching Stardust, nová kniha Natalie Starkeyové, zkoumá náš vztah s kometami a asteroidy.
(Obrázek: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey se aktivně podílí na výzkumu kosmických věd více než 10 let. Zúčastnila se vesmírných misí s návratem vzorků, jako jsou NASA Stardust a JAXA Hayabusa, a byla pozvána jako spoluřešitelka v jednom z nástrojových týmů pro průkopnickou misi ESA Rosetta.
Její nová kniha „Chytání hvězdice“ zkoumá, co objevujeme o kometách a asteroidech - jak se o nich dozvídáme a co prachové, ledové skály musí sdílet o původech sluneční soustavy. Přečtěte si otázky a odpovědi se Starkey o její nové knize zde.
Níže je výňatek z kapitoly 3 „Zachytávací hvězdice“. [Nejlepší blízká setkání typu komety]
Komety a asteroidy na Zemi
V průběhu posledních 50 let se vesmírné instrumentace stále více zdokonalovaly, protože lidé sledovali různorodý počet různých objektů v naší Sluneční soustavě, aby mohli snímat, měřit a vzorkovat. Lidé úspěšně umístili plně funkční rover na planetě Mars, aby se potulovali po svém povrchu, vrtali a shromažďovali vzorky pro analýzu palubního nákladu vědeckých nástrojů. Desetiletá cesta byla také poslána do vesmíru sofistikovaná vědecká laboratoř, aby dohnala a přistála na urychlené kometě, aby provedla analýzy svých hornin, ledů a plynů. A to je vyjmenování několika nejnovějších vrcholů průzkumu vesmíru. Navzdory těmto pokrokům a úžasným úspěchům však na Zemi existují nejlepší a nejsnadněji ovládané vědecké nástroje. Problém je v tom, že tyto pozemské nástroje nelze poslat do vesmíru velmi snadno - jsou příliš těžké a citlivé na to, aby vypustily na palubu rakety, a potřebují téměř dokonalé podmínky, aby mohly pracovat s přesností a přesností. Vesmírné prostředí není přátelské místo se značnými extrémy teploty a tlaku, podmínek, které nejsou vhodné pro choulostivé a někdy temperamentní laboratorní přístroje.
Výsledkem je, že často existuje mnoho výhod, které přinášejí vzorky kosmických hornin zpět na Zemi pro pečlivou, uváženou a přesnou analýzu, na rozdíl od pokusu o zavedení pokročilých laboratorních nástrojů do vesmíru. Hlavním problémem však je, že shromažďování hornin ve vesmíru a jejich bezpečné zpět na Zemi není žádný jednoduchý úkol. Ukázka návratu z vesmíru byla ve skutečnosti dosažena jen několikrát: z Měsíce s misemi Apollo a Luna v 70. letech, z asteroidu Itokawa s misí Hayabusa a z komety 81P / Wild2 s misí Stardust. Přestože se na Zemi vrátily stovky kilogramů měsíční horniny, mise Hayabusa a Stardust vrátily jen nepatrné množství vzorku hornin - fragmenty prachu velké, abych byl přesný. Stále jsou nepatrné vzorky rozhodně lepší než žádné vzorky, protože i malé kameny mohou ve svých strukturách držet obrovské množství informací - tajemství, která mohou vědci odemknout svými vysoce specializovanými vědeckými nástroji na Zemi. [Jak chytit asteroid: Vysvětlení mise NASA (Infographic)]
Zejména Stardustova mise dosáhla velkého úspěchu při rozšiřování našich znalostí o složení komet. Vzorky prachu z komety, které se vrátily na Zemi, udržují vědce v práci po mnoho desetiletí, navzdory jejich omezené hmotnosti. Dozví se více o této misi a o vzácných vzorcích, které shromáždily, v kapitole 7. Naštěstí existují plány do budoucna na sběr hornin z vesmíru, některé mise již jsou na cestě a jiné čekají na financování. Tyto mise zahrnují návštěvy asteroidů, Měsíce a Marsu, a přestože všichni mohou být riskantní snahou bez záruky, že dosáhnou svých cílů, je dobré vědět, že existuje naděje na návrat vzorků z vesmíru pro pozemskou analýzu v budoucnu.
Příchod vesmírných hornin na Zemi
Naštěstí se ukazuje, že existuje jiný způsob, jak získat vzorky vesmírných hornin, a to ani nezahrnuje opuštění bezpečných hranic Země. Důvodem je, že kosmické skály přirozeně padají na Zemi jako meteority po celou dobu. Ve skutečnosti na naši planetu každoročně připadá zhruba 40 000 až 80 000 tun kosmických hornin. Tyto vzorky volného prostoru lze přirovnat k kosmickým Kinder Eggs - jsou nabity nebeskými cenami, informacemi o naší sluneční soustavě. Meteority mohou zahrnovat vzorky asteroidů, komet a dalších planet, z nichž většina dosud nebyla vzorkována kosmickou lodí.
Z tisíců tun kosmických hornin přicházejících na Zemi každý rok je většina poměrně malá, většinou prachová, z nichž se dozvíte více v kapitole 4, ale některé jednotlivé horniny mohou být poměrně velké. Některé z největších kamenitých meteoritů, které dorazily na Zemi, měly hmotnost až 60 tun, což je přibližně stejné jako pět dvoupatrových autobusů. Meteority mohou pocházet odkudkoli ve vesmíru, ale bývají to skály z asteroidů, které se na Zemi nejčastěji vyskytují jako oblázkové kusy, i když se mohou objevit i komety a planety. Kousky asteroidů mohou skončit řítící se na Zemi poté, co se odtrhly od svého většího rodičovského asteroidu v prostoru, často během střetů s jinými vesmírnými objekty, což může způsobit, že se úplně rozpadnou nebo pro malé kousky, které budou z jejich povrchů vyraženy. Jakmile se tyto malé vzorky asteroidů odtrhnou od své mateřské skály, nazývají se ve vesmíru meteroidy a mohou trávit stovky, tisíce, možná i miliony let, cestováním vesmírem, dokud se nakonec nestřídají s měsícem, planetou nebo Sluncem. Jak skála vstupuje do atmosféry jiné planety, stává se meteorem a pokud a kdy tyto kousky dosáhnou zemského povrchu nebo povrchu jiné planety nebo Měsíce, stanou se meteority. Neexistuje nic magického o tom, že se přicházející kosmická hornina mění v meteorit, je to prostě jméno, které skála dostane, když se stane nehybným na povrchu těla, se kterým se setká. [Meteor Storms: Jak fungují supersized displeje 'Shooting Stars' (Infographics)]
Pokud všechny tyto kosmické skály přirozeně přijdou na Zemi zdarma, pak by vás mohlo zajímat, proč se vědci obtěžují jít do potíží s návštěvou vesmíru, aby se pokusili vůbec vyzkoušet. Navzdory skutečnosti, že horniny dopadající na Zemi vzorkují mnohem širší škálu objektů sluneční soustavy, než kolik lidé mohou navštívit v mnoha životech, mají tyto vzorky tendenci být zaujaté vůči těm, které nejlépe přežijí drsné účinky atmosférického vstupu. Tento problém vyvstává z důvodu extrémních teplotních a tlakových změn, ke kterým dochází u skály nebo jakéhokoli předmětu během atmosférického vstupu z vesmíru na Zemi, což jsou variace, které jsou dostatečně velké, aby v mnoha případech horninu úplně zničily.
K teplotním změnám během atmosférického vstupu dochází přímo v důsledku vysoké vstupní rychlosti objektu, která může být kdekoli od přibližně 10 km / s do 70 km / s (25 000 mph až 150 000 mph). Problém pro příchozí vesmírnou horninu při cestování těmito hypersonickými rychlostmi spočívá v tom, že se atmosféra nemůže dostat z cesty dostatečně rychle. Takový účinek chybí, protože hornina prochází vesmírem, jednoduše proto, že prostor je vakuum, takže je přítomno příliš málo molekul, aby se do sebe srazily. Hornina, která prochází atmosférou, má na molekuly, se kterými se setkává, bufetový a kompresní účinek, což způsobuje, že se hromadí a disociují na atomy svých složek. Tyto atomy ionizují, aby vytvořily plášť žhavící plazmy, která se zahřívá na extrémně vysoké teploty - až 20 000 ° C (36 032 ° F) - a obaluje prostorovou horninu, což způsobuje její přehřátí. Výsledkem je, že se zdá, že hornina v atmosféře hoří a září; co bychom mohli nazvat ohnivou koulí nebo padající hvězdou, v závislosti na její velikosti.
Účinky tohoto procesu způsobují pozoruhodnou fyzickou změnu přicházející horniny, která nám ve skutečnosti usnadňuje identifikaci, kdy se stane meteoritem na povrchu Země. To znamená, že se vytvoří fúzní kůra, která se vyvíjí, když hornina proniká do nižší atmosféry a je zpomalena a zahřívána třením se vzduchem. Vnější část horniny se začíná roztavit a směs kapaliny a plynu, která se tvoří, je smetena ze zadní části meteoritu, přičemž s ní zahřívá teplo. Zatímco tento proces je nepřetržitý a znamená, že teplo nemůže proniknout do horniny (tedy chovat se jako tepelný štít), když teplota konečně klesne, roztavený „tepelný štít“ ztuhne, když poslední zbývající kapalina ochlazuje na povrchu skály a vytváří fúzi. kůra. Výsledná temná, často lesklá slupka na meteoritech je charakteristickým rysem, který lze často použít k jejich identifikaci ak rozeznání mimo pozemské horniny. Tvorba fúzní kůry chrání vnitřní části meteoritu před nejhoršími účinky tepla a zachovává složení mateřského asteroidu, komety nebo planety, ze které pochází. Přestože se meteority podobají svým rodičům, nejedná se o přesný zápas. Při procesu vytváření fúzní kůry ztrácí hornina některé ze svých více těkavých složek, protože jsou vařeny s extrémními změnami teploty, které se vyskytují ve vnějších vrstvách horniny. Jediným způsobem, jak získat „dokonalý“ vzorek, je shromáždit jeden přímo z kosmického objektu a vrátit jej do kosmické lodi. Jelikož však meteority jsou vzorky zdarma z vesmíru a určitě jsou hojnější než vzorky vrácené vesmírnými misemi, nabízejí vědcům skvělou příležitost zjistit, z čeho jsou asteroidy, komety a dokonce i další planety skutečně vyrobeny. Z tohoto důvodu jsou na Zemi intenzivně studováni. [6 zábavných faktů o kometě Pan-STARRS]
Přes vznik fúzní kůry mohou být účinky atmosférického vstupu poněkud tvrdé a destruktivní. U hornin s nižší pevností v tlaku nebo s nižším tlakem je méně pravděpodobné, že tuto zkušenost přežijí; jestliže předmět přežije zpomalování atmosférou, musí být jeho pevnost v tlaku větší než maximální aerodynamický tlak, který zažívá. Aerodynamický tlak je přímo úměrný místní hustotě atmosféry, která je závislá na planetě, se kterou objekt narazí. Například, Mars má tenčí atmosféru než Země, která nepůsobí tak, aby zpomalila příchozí objekty tolik, a vysvětluje, proč musí kosmičtí inženýři velmi pečlivě přemýšlet o přistání kosmické lodi na povrchu červené planety, protože jejich systémy zpomalení nemohou být předem vyzkoušeno na Zemi.
Pevnost horniny v tlaku je řízena svým složením: její podíl horninových minerálů, kovů, uhlíkatého materiálu, těkavých fází, množství pórovitého prostoru a jak dobře jsou jeho jednotlivé materiály spojeny. Například, otužilé kosmické horniny, jako jsou ty z asteroidů bohatých na železo, mají tendenci přežít extrémní změny teploty a tlaku, když vrhají velkou rychlostí zemskou atmosférou. Kamenné meteority jsou také docela robustní, i když obsahují málo nebo žádné železo. Přestože je železo silné, mohou být minerály samy o sobě velmi dobře spojeny a vytvořit tak tvrdý kus horniny. Meteority, u nichž je méně pravděpodobné, že přežijí atmosférický vstup, jsou ty, které obsahují vyšší procento těkavých látek, pórovitý prostor, uhlíkaté fáze a tzv. Hydratované minerály - ty, které do své růstové struktury vstřebaly vodu. Takové fáze jsou ve velkém množství v meteoritech známých jako uhlíkaté chondrity a také komety. Tyto objekty jsou proto citlivější na účinky zahřívání a nemohou odolávat aerodynamickým silám, které zažívají, když procházejí zemskou atmosférou. V některých případech to není nic víc než volně konsolidovaná hrst chlupatého sněhu s přimíchanou nečistotou. I kdybyste hodili sněhovou kouli vyrobenou z takové směsi materiálů, můžete očekávat, že se ve vzduchu rozpadne. To ukazuje, proč je velký vzorek komety obecně považován za nepravděpodobný, že přežije kruté tlaky a účinky zahřívání atmosférického vstupu, aniž by se roztavil, explodoval nebo rozpadl na velmi malé kousky. Vědci si stále ještě nejsou jistí, že i přes velké sbírky meteoritů na Zemi našli velký meteorit specificky z komety kvůli extrémně křehkým strukturám, které se od nich očekávají. Výsledkem toho všeho je, že některé kosmické horniny jsou na Zemi nadměrně zastoupeny jako meteority jednoduše proto, že jejich složení lépe odolává účinkům atmosférického vstupu.
Výňatek z chytání Stardust: komety, asteroidy a zrození sluneční soustavy Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Vydavatel Bloomsbury Sigma, otisk vydavatelství Bloomsbury Publishing. Přetištěno se svolením.
