Catching Stardust, нова книга на Натали Старки, изследва връзката ни с комети и астероиди.
(Изображение: © Bloomsbury Sigma)
Натали Старки участва активно в научните изследвания в космоса повече от 10 години. Участвала е в космически мисии за връщане на проби, като NASA Stardust и JAXA Hayabusa, и е поканена да бъде съ-изследовател в един от инструменталните екипи за новаторската мисия на кометата ESA Rosetta.
Новата й книга „Хващането на звезден прах“ разглежда какво откриваме за кометите и астероидите - как научаваме за тях и какво трябва да споделят прашните ледени скали за произхода на Слънчевата система. Прочетете въпроси и отговори със Starkey за новата й книга тук.
По-долу е откъс от глава 3 на „Улов на звезден прах“. [Най-добрите близки срещи на кометата вид]
Комети и астероиди на Земята
През последните 50 години космическата апаратура става все по-усъвършенствана, тъй като хората са преследвали разнообразен брой различни обекти в нашата Слънчева система, за да изобразяват, измерват и пробват. Хората успешно са поставили напълно функциониращ мотор на планетата Марс, за да се ровят по повърхността му, като пробиват и събират проби за анализ на борда на своите товари от научни инструменти. Изискана научна лаборатория също е изпратена в космоса на десетилетие, за да навакса и кацне на скоростна комета за извършване на анализи на нейните скали, ледове и газове. И това е да назовем само няколко от по-новите акценти на космическите изследвания. Въпреки тези постижения и невероятните постижения, най-добрите и лесно контролирани научни инструменти съществуват на Земята. Проблемът е, че тези земни инструменти не могат да бъдат изпратени в космоса много лесно - те са твърде тежки и чувствителни, за да изстрелят на борда на ракета и се нуждаят от почти перфектни условия, за да се изпълняват с точност и точност. Космическата среда не е дружелюбно място със значителни крайности в температурата и налягането, условия, които не са подходящи за деликатни и понякога темпераментни лабораторни инструменти.
Резултатът е, че често има много предимства за връщането на космическите скални проби обратно на Земята за внимателен, обмислен и прецизен анализ, за разлика от опита за изстрелване на модерни лабораторни инструменти в космоса. Основният проблем обаче е, че събирането на скали в космоса и безопасното им връщане обратно на Земята също не е лесна задача. В действителност връщането на проби от космоса е постигнато само няколко пъти: от Луната с мисиите Аполон и Луна през 70-те години, от астероид Итокава с мисията Хаябуса и от кометата 81P / Wild2 с мисията Stardust. Въпреки че стотици килограми лунна скала са върнати на Земята, мисиите Hayabusa и Stardust върнаха само минимални количества проба скала - фрагменти с размер на прах, за да бъдат точни. И все пак мъничките проби със сигурност са по-добри, отколкото никакви проби, тъй като дори малките скали могат да съхраняват огромно количество информация в структурите си - тайни, които учените могат да отключат със своите високоспециализирани научни инструменти на Земята. [Как да хванете астероид: Обяснена мисия на НАСА (Инфографика)]
По-конкретно мисията Stardust постигна много за подобряване на познанията ни за състава на кометите. Образците на кометния прах, който се върна на Земята, ще затруднят учените в продължение на много десетилетия напред, въпреки ограничената им маса. Ще научим повече за тази мисия и за ценните проби, които е събрала, в глава 7. За щастие има бъдещи планове за събиране на скали от космоса, като някои мисии вече са на път, а други очакват финансиране. Тези мисии включват посещения на астероиди, Луната и Марс и макар че всички те могат да бъдат рисковани начинания без гаранция, че ще постигнат целите си, добре е да знаете, че има надежда за връщане на проби от космоса за анализ на Земята в бъдеще.
Пристигането на космически скали на Земята
За щастие се оказва, че има друг начин за получаване на проби от космически скали и дори не включва напускане на безопасното ограничение на Земята. Това е така, защото космическите скали естествено попадат на Земята като метеорити през цялото време. Всъщност около 40 000 до 80 000 тона космически скали падат на нашата планета всяка година. Тези безплатни космически проби могат да се оприличат на космическите яйцеклетки Киндер - те са пълни с небесни награди, информация за нашата Слънчева система. Метеоритите могат да включват проби от астероиди, комети и други планети, повечето от които все още не са взети проби от космически кораби.
От хилядите тонове космически скали, пристигащи на Земята всяка година, по-голямата част са доста малки, предимно с размер на прах, от които ще научим повече в глава 4, но някои отделни скали могат да бъдат доста големи. Някои от най-големите каменисти метеорити, които пристигат на Земята, са с тегло до 60 тона, което е приблизително същото като пет двуетажни автобуса. Метеоритите могат да произхождат от всяка точка на космоса, но те са склонни да бъдат скали от астероиди, които най-често се срещат на Земята като парчета с големина на камъчета, въпреки че могат да се появят и парчета комети и планети. Парчета астероиди могат да завършат нахлуване към Земята, след като са се откъснали от по-големия родителски астероид в космоса, често по време на сблъсъци с други космически обекти, което може да доведе до тяхното разпадане или за откъсване на малки парчета от повърхностите им. В космоса, след като тези малки проби от астероиди се откъснат от родителската си скала, те се наричат метероиди и те могат да прекарат стотици, хиляди, може би дори милиони години, пътувайки през космоса, докато накрая се сблъскат с луна, планета или Слънце. Когато скалата навлезе в атмосферата на друга планета, тя се превръща в метеор и ако и когато тези парчета достигнат земната повърхност или повърхността на друга планета или Луна, те се превръщат в метеорити. Няма нищо вълшебно в пристигащата космическа скала, която се превръща в метеорит, това е просто име, което скалата получава, когато стане неподвижно на повърхността на тялото, което среща. [Метеорни бури: Как се виждат свръхразмера на „Звездите на стрелбата“ (Инфографика)]
Ако всички тези космически скали естествено пристигат на Земята безплатно, тогава бихте могли да се чудите защо учените си правят труда да посетят космоса, за да се опитват изобщо да вземат проби. Въпреки факта, че скалите, попадащи на Земята, изваждат много по-широк спектър от обекти на Слънчевата система, отколкото хората могат да посещават през много животи, тези проби са склонни да бъдат пристрастни към онези, които могат най-добре да преживеят суровите ефекти от навлизането на атмосфера. Проблемът възниква поради екстремните промени в температурата и налягането, изпитвани от скала или какъвто и да е предмет, по време на навлизането на атмосферата от космоса на Земята, вариации, които са достатъчно големи, за да заличат напълно скалата в много случаи.
Температурните промени по време на навлизането на атмосферата възникват като директен резултат от високата входяща скорост на обекта, която може да бъде от 10 км / с до 70 км / с (25 000 м / ч до 150 000 м / ч). Проблемът за входящата космическа скала при пътуване с тези хиперзвукови скорости е, че атмосферата не може да се измъкне достатъчно бързо. Такъв ефект отсъства, когато една скала пътува през космоса, просто защото пространството е вакуум, така че има твърде малко молекули, които да се чукат една в друга. Скалата, пътуваща през атмосфера, има буфетиращ и компресиращ ефект върху молекулите, които среща, причинявайки им натрупване и дисоцииране в техните атоми на компоненти. Тези атоми йонизират, за да произведат обвивка от нажежаема плазма, която се нагрява до изключително високи температури - до 20 000 градуса С (36,032 ° F) и обгръща космическата скала, причинявайки тя да се нагрява супер. Резултатът е, че скалата изглежда гори и свети в атмосферата; това, което бихме могли да наречем огнена топка или стреляща звезда, в зависимост от размера му.
Ефектите от този процес водят до значителна физическа промяна на пристигащата скала, която всъщност ни улеснява да идентифицираме кога става метеорит на повърхността на Земята. Тоест, образуването на термоядрена кора, която се развива, докато скалата прониква в долната атмосфера и се забавя и се нагрява чрез триене с въздуха. Външната част на скалата започва да се топи и сместа от течност и газ, която се образува, се изхвърля от задната страна на метеорита, поемайки топлината с него. Въпреки че този процес е непрекъснат и означава, че топлината не може да проникне в скалата (като по този начин действа като топлинен щит), когато температурата най-накрая спадне, разтопеният 'топлинен щит' се втвърдява като последната останала течност се охлажда на повърхността на скалата, за да образува синтез. кора. Получената тъмна, често лъскава, кора на метеорити е отличителна черта, която често може да се използва за идентифицирането им и за разграничаването им от земните скали. Образуването на термоядрената кора предпазва вътрешните части на метеорита от най-лошите ефекти на топлината, запазвайки състава на родителския астероид, комета или планета, от която произхожда. Въпреки че метеоритите наподобяват родителите си, те не са точно съвпадение. В процеса на образуване на термоядрената кора, скалата губи някои от по-летливите си компоненти, тъй като те се сваряват при екстремни промени в температурата, които се наблюдават във външните слоеве на скалата. Единственият начин за получаване на "перфектна" проба би бил да се събере един директно от космически обект и да се върне в космически кораб. Въпреки това, тъй като метеоритите са безплатни проби от космоса и със сигурност по-изобилни от пробите, върнати от космически мисии, те предлагат на учените чудесна възможност да открият от какво всъщност са направени астероидите, кометите и дори други планети. Те са силно проучени на Земята по тази причина. [6 забавни факти за кометата Pan-STARRS]
Въпреки образуването на термоядрена кора, ефектите от навлизането в атмосферата могат да бъдат доста сурови и разрушителни. Онези скали с по-ниска компресионна или по-ниска сила на трошене са по-малко вероятни да преживеят опита; ако даден обект преживее ускорение през атмосферата, тогава неговата якост на натиск трябва да бъде повече от максималното аеродинамично налягане, което изпитва. Аеродинамичното налягане е пряко пропорционално на локалната плътност на атмосферата, което зависи от това на коя планета се среща обект. Така например, Марс има по-тънка атмосфера от Земята, която не действа толкова, че да забави входящите обекти и обяснява защо космическите инженери трябва да мислят много внимателно за кацане на космически кораби на повърхността на червената планета, тъй като техните системи за намаляване на скоростта не могат да бъде предварително тестван на Земята.
Силата на натиск на една скала се контролира от нейния състав: нейното съотношение на скални минерали, метали, въглероден материал, летливи фази, количество пространство на порите и колко добре са събрани съставните й материали. Например, издръжливите космически скали, като тези от богатите на желязо астероиди, са склонни да преживеят екстремните промени в температурата и налягането, докато те се движат с голяма скорост през земната атмосфера. Каменистите метеорити също са доста здрави, дори когато съдържат малко или никакво желязо. Въпреки че желязото е силно, самите скални минерали могат да бъдат добре свързани, за да създадат и твърда скала. Метеоритите, при които е по-малко вероятно да оцелеят навлизането на атмосферата непокътнати, са тези, които съдържат по-висок процент на летливи вещества, пространство на порите, въглеродни фази и така наречените хидратирани минерали - тези, които са настанили водата в структурата си на растеж. Такива фази са в изобилие в метеоритите, известни като въглеродни хондрити, а също и в кометите. Следователно тези обекти са по-чувствителни към въздействието на нагряването и не издържат на аеродинамичните сили, които изпитват, докато пътуват през земната атмосфера. В някои случаи те не са нищо повече от слабо консолидирана шепа пухкав сняг с примесена мръсотия. Дори и да хвърлите снежна топка, направена от такава смес от материали, може да очаквате тя да се разпадне във въздуха. Това демонстрира защо голяма проба от комета обикновено се смята за малко вероятна да оцелее при рязкото налягане и нагряващите ефекти от навлизането в атмосферата, без да се стопява, експлодира или разпада на много малки парчета. Като такъв, въпреки големите колекции от метеорити на Земята, учените все още не са сигурни, че са открили голям метеорит специално от комета поради изключително крехките структури, които се очаква да имат. Резултатът от всичко това е, че някои космически скали са прекалено представени като метеорити на Земята, просто защото техните състави издържат на ефектите от навлизането на атмосферата по-добре.
Извадка от „Улов на звезден прах: Комети, астероиди и раждането на Слънчевата система от Натали Старки. Copyright © Natalie Starkey 2018. Публикувано от Bloomsbury Sigma, отпечатък на Bloomsbury Publishing. Препечатано с разрешение.
