Catching Stardust, en ny bok av Natalie Starkey, utforskar vår relation med kometer och asteroider.
(Bild: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey har varit aktivt involverad i rymdvetenskaplig forskning i mer än 10 år. Hon har varit inblandad i exempelförsäljningsuppdrag, till exempel NASA Stardust och JAXA Hayabusa, och hon blev inbjuden att vara medutredare på ett av instrumentteamen för det banbrytande ESA Rosetta kometuppdraget.
Hennes nya bok, "Catching Stardust", undersöker vad vi upptäcker om kometer och asteroider - hur vi lär oss om dem och vad de dammiga, isiga stenarna har att dela om solsystemets ursprung. Läs en fråga & fråga med Starkey om hennes nya bok här.
Nedan är ett utdrag från kapitel 3 i "Catching Stardust." [Bästa nära möten av Comet Kind]
Kometer och asteroider på jorden
Under de senaste 50 åren har rymdinstrumentationen blivit mer och mer avancerad när människor har förföljt ett varierat antal olika objekt i vårt solsystem för att bild, mäta och prova. Människor har framgångsrikt placerat en fullt fungerande rover på planeten Mars för att ströva över ytan, borrning och insamling av prover för att analysera ombord sin last av vetenskapliga instrument. Ett sofistikerat vetenskapligt laboratorium har också skickats ut i rymden på en decennium-lång resa för att komma ikapp med och landa på en snabba komet för att utföra analyser av dess bergarter, is och gaser. Och detta är för att bara nämna några av de nyare höjdpunkterna i rymdutforskningen. Trots dessa framsteg och fantastiska framsteg finns de bästa och lättast kontrollerade vetenskapliga instrumenten på jorden. Problemet är att dessa jordinstrument inte kan skickas ut i rymden mycket enkelt - de är för tunga och känsliga för att skjuta ombord på en raket och de behöver nästan perfekta förhållanden för att utföra med precision och noggrannhet. Rymdmiljön är inte ett vänligt ställe, med betydande ytterligheter i temperatur och tryck, förhållanden som inte är lämpliga för känsliga och ibland temperamentlaboratoriska instrument.
Resultatet är att det ofta finns många fördelar med att föra ut rymdrockprover tillbaka till jorden för noggrann, övervägd och exakt analys, i motsats till att försöka lansera avancerade laboratorieinstrument i rymden. Det största problemet är emellertid att det inte är någon enkel uppgift att samla stenar i rymden och föra dem tillbaka till jorden. Faktum är att återvändande från rymden endast har uppnåtts några gånger: från månen med uppdragen Apollo och Luna på 1970-talet, från asteroiden Itokawa med uppdraget Hayabusa och från kometen 81P / Wild2 med Stardust-uppdraget. Även om hundratals kilo månrock har återlämnats till jorden, returnerade Hayabusa- och Stardust-uppdragen bara små mängder stenprov - dammstorta fragment för att vara exakta. Fortfarande är små prover säkert bättre än inga prover, eftersom även små stenar kan hålla en enorm mängd information i sina strukturer - hemligheter som forskare kan låsa upp med sina högt specialiserade vetenskapliga instrument på jorden. [Hur man fångar en asteroid: NASA Mission Explained (Infographic)]
Stardust-uppdraget uppnådde särskilt mycket när det gäller att främja vår kunskap om kometernas sammansättning. Kometens dammprover som den returnerade till jorden kommer att hålla forskare upptagen under många decennier framöver, trots deras begränsade massa. Vi kommer att lära oss mer om detta uppdrag och de värdefulla prover som den samlade i kapitel 7. Lyckligtvis finns det framtida planer för att samla stenar från rymden, med några uppdrag som redan är på väg och andra väntar på finansiering. Dessa uppdrag inkluderar besök i asteroider, månen och Mars, och även om de alla kan vara riskabla ansträngningar utan att garantera att de kommer att uppnå sina mål, är det bra att veta att det finns hopp för återlämnande av prover från rymden för jordbaserad analys i framtiden.
Ankomsten av rymden vaggar på jorden
Lyckligtvis visar det sig att det finns ett annat sätt att få prover av rymdrockar och att det inte ens innebär att man lämnar jordens säkra gränser. Detta beror på att rymdrockar naturligtvis faller till jorden som meteoriter hela tiden. I själva verket faller cirka 40 000 till 80 000 ton rymdrockar på vår planet varje år. Dessa lediga prover kan liknas med kosmiska Kinder Egg - de är fullpackade med himmelspriser, information om vårt solsystem. Meteoriter kan innehålla prover av asteroider, kometer och andra planeter, varav de flesta inte har provtagits av rymdskepp ännu.
Av de tusentals ton rymdrock som anländer till jorden varje år är majoriteten ganska små, mestadels dammstora, av vilka vi kommer att lära oss mer i kapitel 4, men vissa enskilda bergarter kan vara ganska stora. Några av de största steniga meteoriterna som har kommit på jorden har varit upp till 60 ton i vikt, vilket är ungefär samma som fem dubbeldäckarbussar. Meteoriter kan komma från var som helst i rymden, men det tenderar att vara stenar från asteroider som oftast finns på jorden som småstenar av småsten, även om bitar av kometer och planeter också kan visas. Bitar av asteroider kan hamna mot jorden efter att de har gått sönder från sin större förälder asteroid i rymden, ofta under kollisioner med andra rymdföremål, vilket kan få dem att gå sönder helt eller för att små bitar slås från ytorna. I rymden, när dessa små prover av asteroider har brutit bort från deras föräldra berg, kallas de meteroider och de kan spendera hundratals, tusentals, kanske till och med miljoner år, resa genom rymden tills de till slut kolliderar med en måne, en planet eller solen. När berget kommer in i atmosfären på en annan planet blir det en meteor och om och när dessa bitar når jordens yta, eller ytan på en annan planet eller en måne, blir de meteoriter. Det finns inget magiskt med att ett inkommande rymdberg förvandlas till en meteorit, det är helt enkelt ett namn som berget får när det blir stillastående på ytan av kroppen som den möter. [Meteor Storms: How Supersized Displays of 'Shooting Stars' Work (Infographics)]
Om alla dessa rymdbergar naturligtvis anländer till jorden gratis, kan du undra varför forskare bryr sig om att besöka rymden för att försöka provtagning alls. Trots att klipporna som faller till jorden provar ett mycket större utbud av solsystemobjekt än människor kan besöka under många livstider, tenderar dessa prover att vara partiska mot de som bäst kan överleva de hårda effekterna av atmosfärisk inträde. Frågan uppstår på grund av de extrema temperatur- och tryckförändringarna som ett berg, eller något föremål, upplever under atmosfärisk inträde från rymden till jorden, variationer som är tillräckligt stora för att totalt kunna utplåna en sten i många fall.
Temperaturförändringar under atmosfärisk inträde sker som ett direkt resultat av objektets höga inkommande hastighet, som kan vara var som helst från cirka 10 km / s till 70 km / s (25 000 km / h till 150 000 km / h). Problemet för den inkommande rymdrocken när du reser med dessa hypersoniska hastigheter är att atmosfären inte kan röra sig ur tillräckligt snabbt. En sådan effekt är frånvarande när en sten reser genom rymden, helt enkelt för att rymden är ett vakuum så att det finns för få molekyler närvarande för att slå in i varandra. En sten som reser genom en atmosfär har en buffeerande och komprimerande effekt på molekylerna som den stöter på, vilket får dem att staplas upp och dissocieras i sina komponentatomer. Dessa atomer joniserar för att producera ett hölje av glödande plasma som värms upp till extremt höga temperaturer - upp till 20 000 grader (36,032 ºF) - och omsluter rymdberget, vilket gör att det blir superuppvärmt. Resultatet är att berget tycks brinna och glöda i atmosfären; vad vi kan kalla en fireball eller ett skjutstjärna, beroende på dess storlek.
Effekterna av denna process åstadkommer en anmärkningsvärd fysisk förändring av det inkommande berget, en som faktiskt gör det lättare för oss att identifiera när det blir en meteorit på jordens yta. Det vill säga bildandet av en fusionsskorpa, som utvecklas när berget tränger in i den nedre atmosfären och bromsas upp och värms upp genom friktion med luften. Den yttre delen av berget börjar smälta och blandningen av vätska och gas som bildas sopas bort från baksidan av meteoriten och tar värmen med sig. Medan denna process är kontinuerlig och innebär att värmen inte kan tränga igenom berget (sålunda fungera som en värmesköld), när temperaturen äntligen sjunker, stelnar den smälta 'värmeskölden' när den sista återstående vätskan svalnar vid bergens yta för att bilda fusionen skorpa. Det resulterande mörka, ofta glänsande, skalet på meteoriter är ett utmärkande drag som ofta kan användas för att hjälpa till att identifiera dem och för att berätta dem bortsett från markstenar. Bildningen av fusionsskorpan skyddar de inre delarna av meteoriten från värsta effekter av värmen, och bevarar sammansättningen av föräldrar asteroiden, kometen eller planeten från vilken den härstammar. Även om meteoriterna liknar sina föräldrar är de inte exakt matchning. I processen att bilda fusionsskorpan förlorar berget några av sina mer flyktiga komponenter när de kokas av med de extrema temperaturförändringar som upplevs i bergets yttre lager. Det enda sättet att få ett "perfekt" prov är att samla ett direkt från ett rymdobjekt och returnera det i ett rymdskepp. Men eftersom meteoriter är fria prover från rymden, och säkert mer rikliga än prover som returneras av rymduppdrag, erbjuder de forskare ett utmärkt tillfälle att ta reda på vad asteroider, kometer och till och med andra planeter verkligen är gjorda av. De studeras starkt på jorden av detta skäl. [6 roliga fakta om Comet Pan-STARRS]
Trots bildandet av en fusionsskorpa kan effekterna av atmosfärisk inträde vara ganska hårda och förstörande. De stenar med lägre kompressions- eller lägre krossstyrka är mindre benägna att överleva upplevelsen; om ett föremål överlever retardation genom atmosfären, måste dess tryckhållfasthet vara mer än det maximala aerodynamiska trycket det upplever. Det aerodynamiska trycket är direkt proportionellt mot den lokala tätheten i atmosfären, vilket är beroende av vilken planet ett objekt möter. Så, till exempel, Mars har en tunnare atmosfär än jorden som inte agerar för att bromsa inkommande föremål lika mycket och förklarar varför rymdtekniker måste tänka mycket noggrant på landning av rymdfarkoster på den röda planetens yta, eftersom deras retardationssystem inte kan vara förprovade på jorden.
Bergens tryckhållfasthet styrs av dess sammansättning: dess andel bergmineraler, metaller, kolhaltigt material, flyktiga faser, mängd porutrymme och hur väl dess komponentmaterial är packade ihop. Till exempel tenderar hårdiga rymdrockar, som de från de järnrika asteroiderna, att överleva de extrema temperaturförändringarna och trycket när de skada med hög hastighet genom jordens atmosfär. De steniga meteoriterna är också ganska robusta, även om de innehåller lite eller inget järn. Även om järn är starkt kan stenmineraler själva vara mycket välbundna för att skapa en tuff bit av sten. Meteoriterna som är mindre benägna att överleva intakt atmosfärisk atmosfär är de som innehåller en högre andel flyktiga ämnen, porutrymme, kolhaltiga faser och så kallade hydratiserade mineraler - de som har rymt vatten i deras tillväxtstruktur. Sådana faser finns i stort antal i meteoriterna kända som kolhaltiga kondriter och även kometerna. Dessa objekt är därför känsligare för effekterna av uppvärmning och tål inte de aerodynamiska krafterna de upplever när de reser genom jordens atmosfär. I vissa fall är de inget annat än en löst konsoliderad handfull fluffig snö med lite smuts blandad. Även om du kastade en snöboll av en sådan blandning av material kan du förvänta dig att den sönderfaller i luften. Detta visar varför ett stort prov av en komet allmänt anses osannolikt att överleva de hårda trycket och uppvärmningseffekterna av atmosfärisk inträde utan att smälta, explodera eller bryta upp i mycket små bitar. Trots de stora meteoriterna på jorden är vetenskapsmän fortfarande inte säkra på att de har hittat en stor meteorit specifikt från en komet på grund av de extremt bräckliga strukturerna som de förväntas ha. Resultatet av allt detta är att vissa rymdrockar är överrepresenterade som meteoriter på jorden helt enkelt för att deras kompositioner tål bättre effekter av atmosfärisk inträde.
Utdrag ur Catching Stardust: Comets, Asteroids and the Birth of the Solar System av Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Publicerat av Bloomsbury Sigma, ett avtryck av Bloomsbury Publishing. Omtryckt med tillstånd.
