Новая книга Натали Старки «Catching Stardust» исследует наши отношения с кометами и астероидами.
(Изображение: © Bloomsbury Sigma)
Натали Старки более 10 лет активно участвует в исследованиях в области космической науки. Она участвовала в космических полетах с возвратом образцов, таких как NASA Stardust и JAXA Hayabusa, и была приглашена в качестве одного из исследователей в одну из команд по приборам для новаторской кометной миссии ESA Rosetta.
В ее новой книге «Catching Stardust» исследуется то, что мы открываем о кометах и астероидах - как мы узнаем о них и что пыльные, ледяные камни могут рассказать о происхождении Солнечной системы. Прочитайте вопросы и ответы со Старки о ее новой книге здесь.
Ниже приведен отрывок из главы 3 «Поймать звездную пыль». [Лучшие близкие встречи с кометами]
Кометы и Астероиды на Земле
В течение последних 50 лет космическое приборостроение становилось все более и более совершенным, поскольку люди собирали различное количество различных объектов в нашей Солнечной системе для изображения, измерения и выборки. Люди успешно разместили на планете Марс полностью функционирующий марсоход, чтобы бродить по его поверхности, сверлить и собирать образцы для анализа на борту своего груза научных инструментов. Сложная научная лаборатория также была отправлена в космос в течение десятилетнего путешествия, чтобы догнать и приземлиться на быстроходной комете для анализа ее горных пород, льдов и газов. И это лишь некоторые из последних достижений освоения космоса. Однако, несмотря на эти достижения и удивительные достижения, лучшие и наиболее легко контролируемые научные инструменты существуют на Земле. Проблема в том, что эти земные инструменты нельзя отправить в космос очень легко - они слишком тяжелые и чувствительные для запуска на ракете, и им нужны почти идеальные условия для работы с точностью и точностью. Космическая среда не является благоприятным местом с существенными экстремальными значениями температуры и давления, условиями, которые не подходят для деликатных, а иногда и темпераментных лабораторных инструментов.
Результатом является то, что зачастую есть много преимуществ в возвращении образцов космических пород на Землю для тщательного, продуманного и точного анализа, в отличие от попыток запуска в космос передовых лабораторных приборов. Главная проблема, однако, заключается в том, что сбор камней в космосе и их безопасное возвращение на Землю также не простая задача. Фактически, возврат образцов из космоса был достигнут лишь несколько раз: с Луны с миссиями Аполлон и Луна в 1970-х годах, с астероида Итокава с миссией Хаябуса и с кометы 81P / Wild2 с миссией Stardust. Хотя сотни килограммов лунного камня были возвращены на Землю, миссии Hayabusa и Stardust вернули лишь небольшое количество образца породы - если быть точным, фрагменты размером с пыль. Тем не менее, крошечные образцы, безусловно, лучше, чем никакие образцы, так как даже небольшие камни могут содержать огромное количество информации в своих структурах - секреты, которые ученые могут открыть с помощью своих узкоспециализированных научных инструментов на Земле. [Как поймать астероид: объяснение миссии НАСА (инфографика)]
В частности, миссия Stardust достигла значительных успехов в расширении наших знаний о составе комет. Образцы кометной пыли, которые она возвратила на Землю, сохранят занятость ученых на многие десятилетия, несмотря на их ограниченную массу. Мы узнаем больше об этой миссии и о собранных ею драгоценных образцах в главе 7. К счастью, в будущем есть планы сбора камней из космоса, некоторые миссии уже находятся в процессе выполнения, а другие ожидают финансирования. Эти миссии включают в себя посещение астероидов, Луны и Марса, и, хотя все они могут быть рискованными усилиями без гарантии того, что они достигнут своих целей, хорошо знать, что есть надежда на возвращение образцов из космоса для наземного анализа. в будущем.
Появление космических камней на Земле
К счастью, оказывается, что есть еще один способ получить образцы космических камней, и это даже не предполагает выхода из безопасных границ Земли. Это потому, что космические камни естественным образом падают на Землю как метеориты. Фактически, около 40 000 - 80 000 тонн космических камней падают на нашу планету каждый год. Эти образцы свободного пространства можно сравнить с космическими яйцами Киндер - они упакованы небесными призами, информацией о нашей Солнечной системе. Метеориты могут включать образцы астероидов, комет и других планет, большинство из которых еще не были отобраны космическим кораблем.
Из тысяч тонн космических камней, поступающих на Землю каждый год, большинство являются довольно маленькими, в основном размером с пыль, о которых мы узнаем больше в главе 4, но некоторые отдельные камни могут быть довольно большими. Вес некоторых из самых крупных каменистых метеоритов, прибывших на Землю, достигал 60 тонн, что примерно соответствует пяти двухэтажным автобусам. Метеориты могут происходить из любого места в космосе, но это, как правило, камни из астероидов, которые чаще всего встречаются на Земле в виде кусочков размером с гальку, хотя также могут появляться кусочки комет и планет. Куски астероидов могут в конечном итоге упасть на Землю после того, как они откололись от своего более крупного родительского астероида в космосе, часто во время столкновений с другими космическими объектами, что может привести к их полному развалу или крушению небольших кусков с их поверхностей. В космосе, когда эти небольшие образцы астероидов откололись от их материнской породы, их называют метероидами, и они могут тратить сотни, тысячи, возможно, даже миллионы лет, путешествуя в космосе, пока в конечном итоге не столкнутся с Луной, планетой или Солнцем. Когда камень входит в атмосферу другой планеты, он становится метеором, и если и когда эти частицы достигают поверхности Земли или поверхности другой планеты или Луны, они становятся метеоритами. Нет ничего волшебного в том, что входящая космическая скала превращается в метеорит, это просто имя, которое скала получает, когда становится неподвижной на поверхности тела, которое встречает. [Метеоритные бури: как выглядят сверхразмерные изображения «падающих звезд» (инфографика)]
Если все эти космические камни естественным образом прибывают на Землю бесплатно, то вы можете задаться вопросом, зачем ученым вообще мешать посещать космос, чтобы вообще попытаться взять образцы. Несмотря на то, что камни, падающие на Землю, собирают гораздо более широкий спектр объектов Солнечной системы, чем люди могут посещать в течение многих жизней, эти образцы, как правило, смещены в сторону тех, которые могут лучше всего пережить резкие последствия попадания в атмосферу. Эта проблема возникает из-за экстремальных изменений температуры и давления, испытываемых скалой или любым другим предметом при входе в атмосферу из космоса на Землю, причем изменения, которые достаточно велики, чтобы во многих случаях полностью стереть скальную породу.
Изменения температуры во время входа в атмосферу происходят как прямое следствие высокой входящей скорости объекта, которая может быть где-то от 10 км / с до 70 км / с (от 25 000 до 150 000 миль в час). Проблема для поступающей космической породы при движении с такими гиперзвуковыми скоростями заключается в том, что атмосфера не может достаточно быстро покинуть свой путь. Такой эффект отсутствует, поскольку камень путешествует в пространстве просто потому, что пространство - это вакуум, поэтому слишком мало молекул, чтобы столкнуться друг с другом. Скала, путешествующая в атмосфере, оказывает эффект сдавливания и сжатия на молекулы, с которыми она сталкивается, заставляя их накапливаться и диссоциировать на составляющие их атомы. Эти атомы ионизируются, образуя кожух из лампы накаливания, которая нагревается до чрезвычайно высоких температур - до 20 000 градусов Цельсия (36 032 ° F) - и охватывает космическую породу, вызывая ее перегрев. В результате камень кажется горящим и светящимся в атмосфере; что мы могли бы назвать огненным шаром или падающей звездой, в зависимости от его размера.
Эффекты этого процесса приводят к заметным физическим изменениям в поступающей породе, которая фактически помогает нам определить, когда она становится метеоритом на поверхности Земли. То есть образование термоядерной коры, которая развивается, когда порода проникает в нижние слои атмосферы и замедляется и нагревается за счет трения с воздухом. Внешняя часть породы начинает таять, и смесь жидкости и газа, которая образуется, сметается с задней части метеорита, унося с собой тепло. В то время как этот процесс является непрерывным и означает, что тепло не может проникнуть в породу (действуя как теплозащитный экран), когда температура в конце концов падает, расплавленный «теплозащитный экран» затвердевает, когда последняя оставшаяся жидкость охлаждается на поверхности породы, образуя сплав корка. Получающаяся темная, часто блестящая, корка на метеоритах является отличительной чертой, которая часто может использоваться, чтобы помочь идентифицировать их и отличить их от земных скал. Формирование термоядерной коры защищает внутренние части метеорита от наихудших воздействий тепла, сохраняя состав исходного астероида, кометы или планеты, из которой он произошел. Однако, хотя метеориты очень похожи на своих родителей, они не являются точным совпадением. В процессе формирования термоядерной коры порода теряет некоторые из ее более летучих компонентов, так как они испаряются при экстремальных изменениях температуры, происходящих во внешних слоях породы. Единственный способ получить «идеальный» образец - это собрать его непосредственно из космического объекта и вернуть его в космический корабль. Однако, поскольку метеориты являются бесплатными образцами из космоса и, безусловно, более многочисленны, чем образцы, возвращаемые космическими миссиями, они предоставляют ученым прекрасную возможность выяснить, из чего на самом деле сделаны астероиды, кометы и даже другие планеты. По этой причине они сильно изучены на Земле. [6 забавных фактов о комете Pan-STARRS]
Несмотря на образование термоядерной коры, последствия попадания в атмосферу могут быть довольно резкими и разрушительными. Те породы, которые имеют более низкую прочность на сжатие или более низкую прочность на сжатие, с меньшей вероятностью выживут; если объект выдерживает торможение в атмосфере, тогда его прочность на сжатие должна быть больше максимального аэродинамического давления, которое он испытывает. Аэродинамическое давление прямо пропорционально локальной плотности атмосферы, которая зависит от того, с какой планетой сталкивается объект. Так, например, у Марса более тонкая атмосфера, чем у Земли, которая не так сильно замедляет поступающие объекты и объясняет, почему космические инженеры должны очень тщательно продумывать посадку космического корабля на поверхность красной планеты, поскольку их системы замедления не могут быть предварительно испытанным на Земле.
Прочность на сжатие породы контролируется ее составом: пропорциями минералов, металлов, углеродистых материалов, летучих фаз, количеством порового пространства и тем, насколько хорошо его компоненты упакованы вместе. Например, выносливые космические породы, такие как те, что из богатых железом астероидов, имеют тенденцию переживать экстремальные изменения температуры и давления, поскольку они с большой скоростью проносятся сквозь атмосферу Земли. Каменистые метеориты также довольно устойчивы, даже если в них мало или нет железа. Несмотря на то, что железо прочное, минералы сами по себе могут быть очень хорошо связаны, создавая прочный кусок камня. Метеориты, которые с меньшей вероятностью выживут при неизменном входе в атмосферу, - это те, которые содержат более высокий процент летучих веществ, порового пространства, углеродистых фаз и так называемых гидратированных минералов - тех, которые включили воду в свою структуру роста. Такие фазы в изобилии встречаются в метеоритах, известных как углеродистые хондриты, а также в кометах. Следовательно, эти объекты более чувствительны к воздействию нагревания и не могут противостоять аэродинамическим силам, которые они испытывают при прохождении через атмосферу Земли. В некоторых случаях они представляют собой не что иное, как свободно сплоченную горсть пушистого снега с примесью грязи. Даже если вы бросите снежный ком из такой смеси материалов, вы можете ожидать, что он распадется в воздухе. Это демонстрирует, почему большая проба кометы, как правило, считается маловероятной, чтобы пережить резкое воздействие давления и нагрева при попадании в атмосферу без таяния, взрыва или дробления на очень мелкие кусочки. Таким образом, несмотря на большие коллекции метеоритов на Земле, ученые все еще не уверены, что они обнаружили большой метеорит именно из кометы из-за чрезвычайно хрупких структур, которые они, как ожидается, будут иметь. Результатом всего этого является то, что некоторые космические породы чрезмерно представлены в виде метеоритов на Земле просто потому, что их состав лучше противостоит воздействию атмосферного проникновения.
Выдержка из "Поймать звездную пыль": кометы, астероиды и рождение Солнечной системы Натали Старки. Copyright © Натали Старки 2018. Опубликовано издательством Bloomsbury Sigma, издательством Bloomsbury Publishing. Перепечатано с разрешения.
