Catching Stardust, en ny bog af Natalie Starkey, udforsker vores forhold til kometer og asteroider.
(Billede: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey har været aktivt involveret i rumvidenskabelig forskning i mere end 10 år. Hun har været involveret i prøve-return-rummissioner, såsom NASA Stardust og JAXA Hayabusa, og hun blev inviteret til at være medundersøger på et af instrumentteamene til den banebrydende ESA Rosetta kometmission.
Hendes nye bog, "Catching Stardust," undersøger, hvad vi opdager om kometer og asteroider - hvordan vi lærer om dem, og hvad de støvede, iskalde klipper har til at dele om solsystemets oprindelse. Læs en spørgsmål og spørgsmål med Starkey om hendes nye bog her.
Nedenfor er et uddrag fra kapitel 3 i "Catching Stardust." [Bedste nære møder af kometens art]
Kometer og asteroider på jorden
I løbet af de sidste 50 år er ruminstrumenteringen blevet mere og mere avanceret, da mennesker har forfulgt et varieret antal forskellige objekter i vores solsystem til at forestille, måle og prøve. Mennesker har med succes placeret en fuldt fungerende rover på planeten Mars for at strejfe over dens overflade, bore og samle prøver for at analysere ombord sin last af videnskabelige instrumenter. Et sofistikeret videnskabeligt laboratorium er også blevet sendt ud i rummet på en årti lang rejse for at indhente og lande på en hurtig komet for at udføre analyser af dens klipper, is og gasser. Og dette er for blot at nævne et par af de nyere højdepunkter inden for rumforskning. På trods af disse fremskridt og fantastiske resultater findes de bedste og let kontrollerede videnskabelige instrumenter på Jorden. Problemet er, at disse jordinstrumenter ikke kan sendes ud i rummet meget let - de er for tunge og følsomme til at blive sendt ombord på en raket, og de har brug for næsten perfekte betingelser for at kunne udføre med præcision og nøjagtighed. Rummiljøet er ikke et venligt sted, med betydelige ekstremer i temperatur og tryk, forhold, der ikke er egnet til delikate og til tider temperamentsfulde laboratorieinstrumenter.
Resultatet er, at der ofte er mange fordele ved at bringe rumklippeprøver tilbage til Jorden til omhyggelig, overvejet og præcis analyse i modsætning til at forsøge at lancere avancerede laboratorieinstrumenter i rummet. Det største problem er imidlertid, at det heller ikke er nogen enkel opgave at samle klipper i rummet og bringe dem sikkert tilbage til Jorden. Faktisk er eksempler tilbage fra rummet kun opnået et par gange: fra Månen med Apollo- og Luna-missionerne i 1970'erne, fra asteroiden Itokawa med Hayabusa-missionen og fra kometen 81P / Wild2 med Stardust-missionen. Selvom hundreder af kilo måneberge er blevet returneret til Jorden, returnerede Hayabusa- og Stardust-missionerne kun små mængder stenprøve - fragmenter af støvstørrelse for at være præcise. Stadigvis er små prøver bestemt bedre end ingen prøver, da selv små klipper kan indeholde en enorm mængde information i deres strukturer - hemmeligheder, som forskere kan låse op med deres højt specialiserede videnskabelige instrumenter på Jorden. [Sådan fanges en asteroide: NASA Mission Explained (Infographic)]
Stardust-missionen opnåede især meget ved at øge vores viden om kometernes sammensætning. De kometstøvprøver, den vendte tilbage til Jorden, vil holde forskere travlt i mange årtier fremover, på trods af deres begrænsede masse. Vi vil lære mere om denne mission og de dyrebare prøver, den indsamlede, i kapitel 7. Heldigvis er der fremtidige planer for opsamling af klipper fra rummet, med nogle missioner, der allerede er på vej, og andre venter på finansiering. Disse missioner inkluderer besøg på asteroider, Månen og Mars, og selvom de alle kan være risikable bestræbelser uden nogen garanti for, at de vil nå deres mål, er det godt at vide, at der er håb for tilbagevenden af prøver fra rummet til jordbaseret analyse i fremtiden.
Ankomsten af plads klipper på Jorden
Heldigvis viser det sig, at der er en anden måde at få prøver af rumarter på, og at det ikke engang involverer at forlade de sikre jordbund. Dette skyldes, at rumklipper naturligt falder til Jorden som meteoritter hele tiden. Faktisk falder ca. 40.000 til 80.000 ton pladsfjergarter på vores planet hvert år. Disse ledige pladseksempler kan sammenlignes med kosmiske Kinderæg - de er fyldt med himmelpræmier, information om vores solsystem. Meteoritter kan omfatte prøver af asteroider, kometer og andre planeter, hvoraf de fleste ikke er udtaget af rumfartøjer endnu.
Af de tusinder af tons pladsrock, der ankommer til Jorden hvert år, er størstedelen ganske lille, for det meste støvstørrelse, hvoraf vi lærer mere i kapitel 4, men nogle individuelle klipper kan være ret store. Nogle af de største stenede meteoritter, der ankom til Jorden, har været op til 60 ton i vægt, hvilket er omtrent det samme som fem dobbeltdækkerbusser. Meteoritter kan stamme fra hvor som helst i rummet, men det har en tendens til at være klipper fra asteroider, der oftest findes på Jorden som småsten i småstore størrelser, selvom stykker af kometer og planeter også kan vises. Bunker af asteroider kan ende med at kaste sig ned mod Jorden, efter at de har brudt fra deres større forældre asteroide i rummet, ofte under kollisioner med andre rumgenstande, hvilket kan få dem til at gå i stykker fra hinanden eller for at små stykker skal bankes fra deres overflader. Når verdens små prøver af asteroider er brudt væk fra rummet, kaldes de i meter rummetoider, og de kan tilbringe hundreder, tusinder, måske endda millioner af år på at rejse gennem rummet, indtil de til sidst kolliderer med en måne, en planet eller solen. Når klippen kommer ind i atmosfæren på en anden planet bliver det en meteor, og hvis og når disse stykker når jordoverfladen, eller overfladen på en anden planet eller en måne, bliver de meteoritter. Der er ikke noget magisk ved, at en indkommende rumsten forvandles til en meteorit, det er simpelthen et navn, som klippen får, når den bliver stationær på overfladen af kroppen, den møder. [Meteor storme: Hvordan overdreven visning af "stjernestjerners arbejde" (Infografik)]
Hvis alle disse rumarter naturligvis ankommer gratis på Jorden, kan du måske undre dig over, hvorfor forskere gider at gå i vanskelighederne ved at besøge rummet for at prøve prøveudtagning overhovedet. På trods af det faktum, at klipperne, der falder til Jorden, prøver en meget bredere vifte af solsystemobjekter end mennesker kan besøge i mange levetider, har disse prøver en tendens til at være partiske over for dem, der bedst kan overleve de hårde effekter af atmosfærisk indrejse. Problemet opstår på grund af de ekstreme temperatur- og trykændringer, som en klippe eller en hvilken som helst genstand oplever under atmosfærisk indrejse fra rummet til Jorden, variationer, der er store nok til at udslette en sten i mange tilfælde.
Temperaturændringer under atmosfærisk indtræden forekommer som et direkte resultat af den høje indkommende hastighed på objektet, der kan være overalt fra ca. 10 km / s til 70 km / s (25.000 km / h til 150.000 km / h). Problemet med den indkommende rumrock, når man rejser med disse hypersoniske hastigheder, er, at atmosfæren ikke kan bevæge sig hurtigt væk. En sådan effekt er fraværende, når en klippe bevæger sig gennem rummet, simpelthen fordi rummet er et vakuum, så der er for få molekyler til at banke ind i hinanden. En klippe, der bevæger sig gennem en atmosfære, har en buffende og komprimerende virkning på molekylerne, den støder på, hvilket får dem til at hoper sig op og dissocieres i deres komponentatomer. Disse atomer ioniserer for at producere et hylster af glødende plasma, der opvarmes til ekstremt høje temperaturer - op til 20.000 grader C (36.032ºF) - og indhyller rumstenen, hvilket får den til at blive superopvarmet. Resultatet er, at klippen ser ud til at brænde og glød i atmosfæren; hvad vi måske kalder en ildkugle eller et stjerneskud, afhængigt af dens størrelse.
Virkningerne af denne proces medfører en bemærkelsesværdig fysisk ændring af den indkommende klippe, en der faktisk gør det lettere for os at identificere, hvornår det bliver en meteorit på jordoverfladen. Det vil sige dannelsen af en fusionskorpe, der udvikler sig, når klippen trænger ind i den nedre atmosfære og bremses ned og opvarmes af friktion med luften. Den ydre del af klippen begynder at smelte, og blandingen af væske og gas, der dannes, fejes fra bagsiden af meteoritten og tager varmen med sig. Mens denne proces er kontinuerlig og betyder, at varmen ikke kan trænge ind i klippen (således fungerer den som en varmeskjold), når temperaturen omsider falder, størkner den smeltede 'varmeskjold', når den sidste resterende væske afkøles ved klippens overflade for at danne fusionen skorpe. Den resulterende mørke, ofte skinnende, skorpe på meteoritter er et kendetegn, der ofte kan bruges til at hjælpe med at identificere dem og til at fortælle dem bortset fra jordbundne klipper. Dannelsen af fusionsskorpen beskytter de indre dele af meteoritten mod de værste effekter af varmen og bevarer sammensætningen af den overordnede asteroide, komet eller planet, hvorfra den stammer. Selvom meteoritter ligner deres forældre, er de imidlertid ikke en nøjagtig match. I processen med at danne fusionskorpen mister klippen nogle af sine mere flygtige komponenter, når de koges af med de ekstreme temperaturændringer, der opleves i bergets ydre lag. Den eneste måde at få en 'perfekt' prøve på ville være at samle en direkte fra et rumobjekt og returnere den i et rumfartøj. Da meteoritter imidlertid er frie prøver fra rummet, og bestemt mere rigelige end prøver, der returneres ved rumopgaver, tilbyder de forskere en stor mulighed for at finde ud af, hvad asteroider, kometer og endda andre planeter virkelig er lavet af. De studeres stærkt på Jorden af denne grund. [6 sjove fakta om Comet Pan-STARRS]
På trods af dannelsen af en fusionskorpe kan virkningerne af atmosfærisk indrejse være ret hårde og ødelæggende. Disse klipper med lavere trykstyrke eller lavere knusningsstyrke er mindre tilbøjelige til at overleve oplevelsen; Hvis et objekt overlever deceleration gennem atmosfæren, skal dens trykstyrke være mere end det maksimale aerodynamiske tryk, det oplever. Det aerodynamiske tryk er direkte proportionalt med den lokale tæthed i atmosfæren, som er afhængig af hvilken planet et objekt støder på. Så for eksempel har Mars en tyndere atmosfære end Jorden, der ikke fungerer for at bremse indgående objekter lige så meget og forklarer, hvorfor rumingeniører er nødt til at tænke meget nøje over landing af rumfartøjer på den røde planets overflade, da deres decelerationssystemer ikke kan være for-testet på Jorden.
Stens kompressionsstyrke styres af dens sammensætning: dens andel af stenmineraler, metaller, kulstofholdigt materiale, flygtige faser, mængden af poreplads og hvor godt dets komponentmaterialer er pakket sammen. F.eks. Har hårdføre rumarter som dem fra de jernrige asteroider en tendens til at overleve de ekstreme ændringer i temperatur og tryk, når de kæmper med stor hastighed gennem Jordens atmosfære. De stenede meteoritter er også ret robuste, selv når de indeholder lidt eller intet jern. Selvom jern er stærkt, kan rockmineraler i sig selv være meget godt bundet til at skabe et hårdt stykke sten. De meteoritter, der er mindre tilbøjelige til at overleve atmosfærisk indtræden intakte, er dem, der indeholder en højere procentdel af flygtige stoffer, poreplads, kulstofholdige faser og såkaldte hydratiserede mineraler - dem, der har optaget vand i deres vækststruktur. Sådanne faser er i stor forekomst i meteoritterne kendt som kulstofholdige chondriter og også kometerne. Disse genstande er derfor mere følsomme over for virkningerne af opvarmning og kan ikke modstå de aerodynamiske kræfter, de oplever, når de rejser gennem Jordens atmosfære. I nogle tilfælde er de intet andet end en løst konsolideret håndfuld fnug sne med noget snavs blandet i. Selv hvis du kastede en snebold lavet af en sådan blanding af materialer, kan du forvente, at den går i opløsning i luften. Dette viser, hvorfor en stor prøve af en komet generelt betragtes som usandsynlig, at den overlever det hårde tryk og opvarmningsvirkningerne af atmosfærisk indrejse uden at smelte, eksplodere eller bryde op i meget små stykker. På trods af de store samlinger af meteoritter på Jorden er videnskabsmænd stadig ikke sikre på, at de har fundet en stor meteorit specifikt fra en komet på grund af de ekstremt skrøbelige strukturer, som de forventes at have. Resultatet af alt dette er, at nogle rumarter er overrepræsenteret som meteoritter på Jorden, simpelthen fordi deres sammensætninger modstår effekterne af atmosfærisk indrejse bedre.
Uddrag fra Catching Stardust: Comets, Asteroids and the Birth of the Solar System af Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Udgivet af Bloomsbury Sigma, et aftryk af Bloomsbury Publishing. Genoptrykt med tilladelse.
