Natalie Starkeyn uusi kirja Catching Stardust tutkii suhteitamme komeetoihin ja asteroideihin.
(Kuva: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey on ollut aktiivisesti mukana avaruustieteellisessä tutkimuksessa yli 10 vuotta. Hän on ollut mukana näytteen paluuta koskevissa avaruusoperaatioissa, kuten NASA Stardust ja JAXA Hayabusa, ja hänet kutsuttiin toimimaan yhdessä tutkijana yhdessä uraauurtavan ESA Rosetta -komeetan tehtävän instrumenttiryhmistä.
Hänen uudessa kirjassaan "Catching Stardust" tutkitaan mitä olemme löytämässä komeetoista ja asteroideista - kuinka opimme niistä ja mitä pölyisillä, jäisillä kivillä on jaettava aurinkokunnan alkuperästä. Lue Q&A Starkeyn kanssa hänen uudesta kirjastaan täältä.
Alla on ote luvusta 3 "Stardustin tarttuminen". [Komeetaluokan parhaat läheiset kohtaamiset]
Komeettoja ja asteroideja maan päällä
Avaruusinstrumentointi on viimeisen 50 vuoden aikana tullut entistä edistyneemmäksi, kun ihmiset ovat etsineet aurinkojärjestelmässämme monenlaisia erilaisia esineitä kuvaamaan, mittaamaan ja näytteittämään. Ihmiset ovat onnistuneesti asettaneet täysin toimivan roverin planeetalle Mars vaeltaakseen sen pinnan yli, poraamalla ja keräämällä näytteitä tieteellisten välineiden lastin analysoimiseksi aluksella. Kehittynyt tieteellinen laboratorio on myös lähetetty avaruuteen vuosikymmenen pituisella matkalla seuraamaan ja laskeutumaan ylinopeutta komeettaan analysoimaan sen kiviä, jäätä ja kaasuja. Ja tämä on vain muutamia avaruustutkimuksen viimeisimmistä kohokohdista. Näistä edistyksistä ja uskomattomista saavutuksista huolimatta parhaat ja helpoimmin hallittavat tieteelliset instrumentit ovat kuitenkin olemassa maan päällä. Ongelmana on, että näitä Maan instrumentteja ei voida lähettää avaruuteen kovin helposti - ne ovat liian raskaita ja herkkiä aloittamaankseen raketin ja he tarvitsevat melkein täydelliset olosuhteet suorittaakseen tarkkuudella. Avaruusympäristö ei ole ystävällinen paikka, jossa on huomattavia lämpötilan ja paineen ääriolosuhteita, olosuhteet, jotka eivät sovellu herkille ja toisinaan temperamenttisille laboratoriovälineille.
Tuloksena on, että avaruuskivinäytteiden palauttamisessa maahan huolellista, harkittua ja tarkkaa analyysiä varten on usein monia etuja, kun taas yritys yrittää viedä edistyneitä laboratoriovälineitä avaruuteen. Suurin ongelma on kuitenkin se, että kivien kerääminen avaruudessa ja niiden turvallinen palaaminen takaisin Maahan ei ole myöskään yksinkertainen tehtävä. Itse asiassa näytteen paluu avaruudesta on saatu aikaan vain muutaman kerran: Kuusta Apollon ja Lunan operaatioilla 1970-luvulla, asteroidi Itokawan kanssa Hayabusa-operaation kanssa ja komeetan 81P / Wild2 kanssa Stardust-operaation kanssa. Vaikka satoja kiloja Kuukiviä on palautettu maan päälle, Hayabusa- ja Stardust-operaatiot palauttivat vain pienen määrän kivinäytettä - pölykokoisia palasia ollakseen tarkkoja. Silti pienet näytteet ovat varmasti parempia kuin ei näytteitä, koska pienetkin kivet voivat pitää rakenteissaan valtavan määrän tietoa - salaisuuksia, jotka tutkijat voivat avata erittäin erikoistuneiden tieteellisten välineidensä avulla maan päällä. [Kuinka kiinni asteroidi: NASA-operaation selitys (infografinen)]
Erityisesti Stardust-operaatio saavutti paljon edistämällä tietoomme komeettojen koostumuksesta. Komeetan pölynäytteet, jotka se palauttivat Maahan, pitävät tutkijoita kiireisenä tulevina vuosikymmeninä huolimatta rajoitetusta massastaan. Opimme lisää tästä tehtävästä ja sen keräämistä arvokkaista näytteistä luvussa 7. Onneksi on suunnitelmia tulevaisuuden kivien keräämiseksi avaruudesta, ja jotkut operaatiot ovat jo matkalla ja toiset odottavat rahoitusta. Nämä tehtävät sisältävät vierailut asteroideihin, Kuuhun ja Marsiin, ja vaikka ne kaikki voivat olla riskialttiita pyrkimyksiä ilman takeita siitä, että ne saavuttavat tavoitteensa, on hyvä tietää, että on toivoa näytteiden palauttamiseen avaruudesta maanpohjaista analyysiä varten tulevaisuudessa.
Avaruuskivien saapuminen maan päälle
Onneksi osoittautuu, että on olemassa toinen tapa saada näytteitä avaruuskivistä, eikä siihen tarvitse edes jättää maapallon turvallisia rajoja. Tämä johtuu siitä, että avaruuskivet putoavat luonnollisesti maan päälle meteoriiteina koko ajan. Itse asiassa noin 40 000 - 80 000 tonnia avaruuskiviä putoaa planeetallemme vuosittain. Nämä vapaan tilan näytteet voidaan verrata kosmisiin Kinder-muniin - ne on täynnä taivaallisia palkintoja, tietoa aurinkokuntamme. Meteoriitit voivat sisältää näytteitä asteroideista, komeetoista ja muista planeetoista, joista suurimmasta osasta ei ole vielä otettu avaruusaluksia.
Niistä tuhansista tonneista avaruuskivistä, jotka saapuvat maan päälle vuosittain, suurin osa on melko pieniä, enimmäkseen pölykokoja, joista opimme lisää luvussa 4, mutta jotkut yksittäiset kivet voivat olla melko suuria. Joidenkin maan päälle saapuvien kivisten meteoriittien paino on ollut jopa 60 tonnia, mikä on suunnilleen sama kuin viisi kaksikerroksista linja-autoa. Meteoriitit voivat olla peräisin mistä tahansa avaruudesta, mutta se on taipumus olla kiviä asteroideista, joita esiintyy yleisimmin maapallolla kivikokoisina kappaleina, vaikka komeettojen ja planeettojen paloja voi myös esiintyä. Asteroidipalat voivat päätyä loukkaantumaan kohti maata, kun ne ovat murtuneet suuremmasta vanhemmasta asteroidistaan avaruudessa, usein törmäyksissä muiden avaruusobjektien kanssa, mikä voi aiheuttaa niiden hajoamisen kokonaan tai pienten kappaleiden koputtamisen niiden pinnalta. Avaruudessa, kun nämä pienet asteroidinäytteet ovat murtuneet vanhemmasta kivistään, niitä kutsutaan meteroideiksi ja ne voivat viettää satoja, tuhansia, ehkä jopa miljoonia vuosia matkustaessaan avaruuden läpi, kunnes lopulta törmäävät kuun, planeetan tai aurinkoon. Kun kallio saapuu toisen planeetan ilmakehään, siitä tulee meteoriitti ja jos ja kun nämä palat saavuttavat Maan pinnan tai toisen planeetan tai Kuun pinnan, niistä tulee meteoriitteja. Ei ole mitään taianomaista tulevasta avaruuskalliosta, joka muuttuu meteoriitiksi, se on yksinkertaisesti nimi, jonka kallio saa, kun se tulee paikalleen kehon pinnalla, jota se kohtaa. [Meteorimyrskyt: Kuinka suuret näytöt 'Shooting Stars'-työstä (infografia)]
Jos kaikki nämä avaruuskivet saapuvat luonnollisesti ilmaiseksi maapallolle, saatat ihmetellä, miksi tutkijat vaivautuvat menemään avaruusvierailun vaikeuksiin yrittääkseen lainkaan ottaa näytteitä. Huolimatta siitä, että maan päälle putoavat kivet näyttelevät paljon laajempaa aurinkokunnan kohteita kuin ihmiset voivat käydä monina elinaikoina, nämä näytteet ovat taipumus olla puolueellisia kohti niitä, jotka selviävät parhaiten ilmakehän pääsyn ankarista vaikutuksista. Aihe syntyy, koska kallio tai mikä tahansa esine kokee äärimmäiset lämpötilan ja paineen muutokset ilmakehän palatessa avaruudesta maapallolle, ja variaatiot ovat riittävän suuria kivin hävittämiseksi monissa tapauksissa.
Lämpötilan muutokset ilmakehän sisäänpääsyn aikana tapahtuvat suoraan kohteen korkean saapuvan nopeuden seurauksena, joka voi olla missä tahansa välillä 10 km / s - 70 km / s (25 000 - 150 000 mph). Saapuvan avaruuskivin ongelmana näillä yliherkkyysnopeuksilla matkustettaessa on, että ilmapiiri ei pysty liikkumaan pois tieltään riittävän nopeasti. Tällainen vaikutus puuttuu, kun kallio kulkee avaruuden läpi, yksinkertaisesti siksi, että tila on tyhjiö, joten läsnä on liian vähän molekyylejä koputtaakseen toisiinsa. Ilmakehän läpi kulkevalla kivillä on buffeting- ja puristusvaikutus kohtaamiinsa molekyyleihin, aiheuttaen niiden kasaantumisen ja dissosioitumisen komponenttiatomiinsa. Nämä atomit ionisoituvat tuottaen hehkuvan plasmavaipan, joka kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin - jopa 20 000 asteeseen (36 032 ºF) - ja ympäröi avaruuskalliota aiheuttaen sen ylikuumenemisen. Tuloksena on, että kallio näyttää palavan ja hehkuva ilmakehässä; mitä kutsumme tulipalloksi tai ammunta tähtiä, sen koosta riippuen.
Tämän prosessin vaikutukset saavat aikaan huomattavan fyysisen muutoksen tulevassa kalliossa, joka todella auttaa meitä tunnistamaan, kun siitä tulee meteoriittia maan pinnalla. Toisin sanoen sulamiskuoren muodostuminen, joka kehittyy, kun kallio tunkeutuu alempaan ilmakehään ja hidastuu ja kuumenee kitkalla ilman kanssa. Kiviaineksen ulkoosa alkaa sulaa ja muodostuneen nesteen ja kaasun seos pyyhkäisee meteoriitin takaosasta ottaen lämpöä mukanaan. Vaikka tämä prosessi on jatkuva ja tarkoittaa sitä, että lämpö ei pääse tunkeutumaan kallioon (toimimalla siten kuin lämpökilpi), lämpötilan loputtua laskeessa sula "lämpökilpi" jähmettyy, kun viimeinen jäljellä oleva neste jäähtyy kallion pinnalla muodostaen fuusion kuori. Tuloksena oleva meteoriiteilla esiintyvä tumma, usein kiiltävä kuori on erottuva ominaisuus, jota voidaan usein käyttää niiden tunnistamiseen ja erottamiseen maanpäällisistä kivistä. Fuusiokuoren muodostuminen suojaa meteoriitin sisäosia lämmön pahimmilta vaikutuksilta, säilyttäen alkuperäisen asteroidin, komeetan tai planeetan koostumus, josta se on peräisin. Vaikka meteoriitit muistuttavat läheisesti heidän vanhempiaan, ne eivät ole tarkkaa hakua. Fuusiokuoren muodostamisprosessissa kivi menettää osan haihtuvimmista komponenteistaan, kun ne kiehuvat kallion ulkopinnoissa koettujen äärimmäisten lämpötilanmuutosten seurauksena. Ainoa tapa saada ”täydellinen” näyte olisi kerätä yksi suoraan avaruusobjektista ja palauttaa se avaruusalukseen. Koska meteoriitit ovat vapaita näytteitä avaruudesta ja ovat varmasti runsaampia kuin avaruusoperaatioiden palauttamat näytteet, ne tarjoavat tutkijoille loistavan tilaisuuden selvittää, mistä asteroidit, komeetat ja jopa muut planeetat todella ovat tehty. Niitä tutkitaan voimakkaasti maan päällä tästä syystä. [6 hauskaa komeetta Pan-STARRSista]
Fuusiokuoren muodostumisesta huolimatta ilmakehän pääsyn vaikutukset voivat olla melko kovia ja tuhoisia. Ne kivit, joilla on alhaisempi puristus- tai murskauslujuus, eivät todennäköisesti selviä kokemuksesta; jos esine selviää hidastuksesta ilmakehän läpi, sen puristuslujuuden on oltava enemmän kuin sen koettama suurin aerodynaaminen paine. Aerodynaaminen paine on suoraan verrannollinen ilmakehän paikalliseen tiheyteen, joka riippuu siitä, mihin planeettaan esine kohtaa. Joten esimerkiksi Marsilla on ohuempi ilmapiiri kuin maapallolla, joka ei hidasta niin paljon saapuvia esineitä, ja selittää miksi avaruusinsinöörien on ajateltava erittäin huolellisesti avaruusalusten laskeutumista punaisen planeetan pinnalle, koska heidän hidastusjärjestelmänsä eivät pysty olla esitestattu maan päällä.
Kiviaineksen puristuslujuutta hallitsee sen koostumus: sen osuus mineraaleista, metalleista, hiilipitoisesta materiaalista, haihtuvista faaseista, huokostilan määrä ja kuinka hyvin sen komponenttimateriaalit on pakattu yhteen. Esimerkiksi sitkeillä avaruuskivillä, kuten rautapitoisilla asteroideilla, on taipumus selviytyä äärimmäisistä lämpötilan ja paineen muutoksista, kun ne haisevat suurella nopeudella maan ilmakehän läpi. Kiviset meteoriitit ovat myös melko kestäviä, vaikka ne sisältäisivät vähän tai ei lainkaan rautaa. Vaikka rauta on vahvaa, myös kivimineraalit itsessään voivat olla erittäin hyvin sitoutuneita kovan kappaleen luomiseksi. Meteoriitit, jotka eivät todennäköisesti selviä ilmakehän kulkeutumisesta koskemattomina, ovat niitä, jotka sisältävät enemmän haihtuvia osia, huokostilaa, hiilipitoisia faaseja ja ns. Hydratoituja mineraaleja - ne, jotka ovat sijoittaneet vettä kasvurakenteeseensa. Tällaisia faaseja on runsaasti hiilipitoisina chritriiteinä tunnetuissa meteoriiteissa ja myös komeetoissa. Nämä esineet ovat siksi herkempiä lämmityksen vaikutuksille, eivätkä ne voi kestää aerodynaamisia voimia, joita he kokevat liikkuessaan Maan ilmakehän läpi. Joissain tapauksissa ne eivät ole muuta kuin löysästi kovettunut kourallinen pörröistä lunta, johon on sekoittunut likaa. Vaikka heitit sellaisesta materiaaliseoksesta tehdyn lumipalloa, saatat odottaa sen hajoavan ilmaan. Tämä osoittaa, miksi suuren komeetanäytteen katsotaan yleisesti epätodennäköiseksi selviävän ilmakehän pääsyn ankarista paineista ja lämmitysvaikutuksista sulamatta, räjähtämättä tai hajoamasta erittäin pieniksi paloiksi. Sinänsä, huolimatta maan päällä olevista suurista meteoriittikokoelmista, tutkijat eivät vieläkään ole varmoja siitä, että he ovat löytäneet suuren meteoriitin erityisesti komeetalta johtuen erittäin herkkärakenteista, joita heillä odotetaan olevan. Kaiken tämän seurauksena jotkut avaruuskivet ovat liian edustettuina meteoriiteina maan päällä yksinkertaisesti siksi, että niiden koostumukset kestävät paremmin ilmakehän vaikutuksia.
Ote Natalie Starkeyn Stardustin kiinniotosta: Komeetat, asteroidit ja aurinkokunnan synty. Tekijänoikeudet © Natalie Starkey 2018. Kustantaja: Bloomsbury Sigma, jäljennös Bloomsbury Publishing -yrityksestä. Uusintapainos luvalla.
