Catching Stardust หนังสือเล่มใหม่ของ Natalie Starkey สำรวจความสัมพันธ์ของเรากับดาวหางและดาวเคราะห์น้อย
(ภาพ: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการวิจัยด้านอวกาศมากกว่า 10 ปี เธอมีส่วนร่วมในภารกิจอวกาศตัวอย่างกลับเช่น NASA Stardust และ JAXA Hayabusa และเธอได้รับเชิญให้เป็นผู้ร่วมวิจัยในหนึ่งในทีมเครื่องมือสำหรับภารกิจดาวหาง ESA Rosetta ดาวหาง
หนังสือเล่มใหม่ของเธอ "Catching Stardust" ตรวจสอบสิ่งที่เราค้นพบเกี่ยวกับดาวหางและดาวเคราะห์น้อย - วิธีที่เราเรียนรู้เกี่ยวกับพวกมันและสิ่งที่หินฝุ่นและน้ำแข็งเต็มไปหมดต้องแบ่งปันเกี่ยวกับต้นกำเนิดของระบบสุริยะ อ่านคำถามและคำตอบกับ Starkey เกี่ยวกับหนังสือเล่มใหม่ของเธอที่นี่
ด้านล่างนี้เป็นข้อความที่ตัดตอนมาจากบทที่ 3 ของ "Catching Stardust" [การเผชิญหน้าที่ดีที่สุดในประเภทดาวหาง]
ดาวหางและดาวเคราะห์น้อยบนโลก
ตลอดระยะเวลา 50 ปีที่ผ่านมาเครื่องมือวัดอวกาศมีความก้าวหน้ามากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากมนุษย์ได้ติดตามวัตถุที่แตกต่างกันจำนวนมากในระบบสุริยะของเราเพื่อภาพการวัดและตัวอย่าง มนุษย์ได้ประสบความสำเร็จในการวางยานสำรวจที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์บนดาวอังคารเพื่อท่องไปบนพื้นผิวของมันการขุดเจาะและเก็บตัวอย่างเพื่อวิเคราะห์สินค้าทางวิทยาศาสตร์บนกระดาน ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนได้ถูกส่งไปยังอวกาศในการเดินทางนานนับสิบปีเพื่อติดตามและลงจอดบนดาวหางที่เร่งความเร็วเพื่อทำการวิเคราะห์หินน้ำแข็งและก๊าซของมัน และนี่คือชื่อของไฮไลท์ล่าสุดของการสำรวจอวกาศ อย่างไรก็ตามแม้จะมีความก้าวหน้าและความสำเร็จที่น่าทึ่ง แต่เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุดและควบคุมได้ง่ายที่สุดก็ยังมีอยู่บนโลก ปัญหาคือเครื่องมือโลกเหล่านี้ไม่สามารถส่งไปยังอวกาศได้ง่ายมาก - พวกมันหนักและไวเกินกว่าที่จะปล่อยขึ้นไปบนจรวดและพวกเขาต้องการสภาพที่สมบูรณ์แบบเพื่อดำเนินการด้วยความแม่นยำและความแม่นยำ สภาพพื้นที่ไม่ได้เป็นสถานที่ที่เป็นมิตรมีอุณหภูมิและความดันสูงมากสภาพที่ไม่เหมาะกับเครื่องมือห้องปฏิบัติการที่ละเอียดอ่อนและบางครั้ง
ผลที่ได้คือมักจะมีข้อได้เปรียบมากมายที่จะนำตัวอย่างหินอวกาศกลับสู่โลกเพื่อการวิเคราะห์ที่รอบคอบพิจารณาและแม่นยำซึ่งตรงข้ามกับการพยายามส่งเครื่องมือห้องปฏิบัติการขั้นสูงสู่อวกาศ อย่างไรก็ตามปัญหาที่สำคัญคือการเก็บหินในอวกาศและนำพวกมันกลับสู่โลกอย่างปลอดภัยไม่ใช่เรื่องง่ายเช่นกัน ในความเป็นจริงตัวอย่างการกลับมาจากอวกาศนั้นทำได้สำเร็จเพียงไม่กี่ครั้ง: จากดวงจันทร์กับภารกิจอพอลโลและลูน่าในปี 1970 จากดาวเคราะห์น้อยอิโตคาวะกับภารกิจฮายาบูสะและจากดาวหาง 81P / Wild2 กับภารกิจละอองดาว แม้ว่าหินดวงจันทร์หลายร้อยกิโลกรัมจะถูกส่งกลับไปยังโลก แต่ภารกิจของฮายาบูสะและสตาร์ดัสก็คืนตัวอย่างหินจำนวนนาทีเพียงชิ้นเดียว - ชิ้นส่วนฝุ่นขนาดที่แม่นยำ ถึงกระนั้นตัวอย่างเล็ก ๆ ก็ยังดีกว่าไม่มีตัวอย่างเพราะแม้แต่หินก้อนเล็ก ๆ ก็ยังสามารถเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลไว้ในโครงสร้างของพวกเขา - ความลับที่นักวิทยาศาสตร์สามารถปลดล็อกได้ด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์เฉพาะทางของพวกเขาบนโลก [วิธีจับดาวเคราะห์น้อย: ภารกิจของนาซ่าอธิบาย (Infographic)]
โดยเฉพาะอย่างยิ่งภารกิจสตาร์ดัสประสบความสำเร็จอย่างมากในการเสริมความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของดาวหาง ตัวอย่างฝุ่นจากดาวหางที่ถูกส่งกลับมายังโลกจะทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่ว่างมานานหลายทศวรรษแม้ว่าจะมีมวล จำกัด ก็ตาม เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับภารกิจนี้และตัวอย่างอันมีค่าที่รวบรวมได้ในบทที่ 7 โชคดีที่มีแผนการในอนาคตสำหรับการรวบรวมหินจากอวกาศโดยมีภารกิจบางอย่างที่กำลังดำเนินการอยู่และคนอื่น ๆ กำลังรอเงินทุน ภารกิจเหล่านี้รวมถึงการเยี่ยมชมดาวเคราะห์น้อยดวงจันทร์และดาวอังคารและในขณะที่พวกเขาอาจมีความเสี่ยงโดยไม่รับประกันว่าพวกเขาจะบรรลุเป้าหมาย แต่ก็เป็นการดีที่จะรู้ว่ามีความหวังสำหรับการกลับมาของตัวอย่างจากอวกาศสำหรับการวิเคราะห์บนโลก ในอนาคต.
การมาถึงของหินอวกาศบนโลก
โชคดีที่ปรากฎว่ามีวิธีอื่นในการรับตัวอย่างของหินอวกาศและมันไม่ได้เกี่ยวข้องกับการออกจากขอบเขตความปลอดภัยของโลก นี่เป็นเพราะหินอวกาศตกลงสู่พื้นดินตามธรรมชาติเช่นเดียวกับอุกกาบาตตลอดเวลา ในความเป็นจริงหินอวกาศบาง 40,000 ถึง 80,000 ตันตกลงบนโลกของเราในแต่ละปี ตัวอย่างพื้นที่ว่างเหล่านี้สามารถเปรียบได้กับ Kinder Eggs ของจักรวาลซึ่งเต็มไปด้วยของรางวัลจากสวรรค์ข้อมูลเกี่ยวกับระบบสุริยะของเรา อุกกาบาตอาจรวมถึงตัวอย่างของดาวเคราะห์น้อยดาวหางและดาวเคราะห์ดวงอื่นซึ่งส่วนใหญ่ยังไม่ได้รับการเก็บตัวอย่างโดยยานอวกาศ
จากหินอวกาศจำนวนหลายพันตันที่มาถึงโลกในแต่ละปีส่วนใหญ่มีขนาดค่อนข้างเล็กส่วนใหญ่เป็นฝุ่นซึ่งเราจะเรียนรู้เพิ่มเติมในบทที่ 4 แต่หินแต่ละก้อนอาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่ อุกกาบาตที่ใหญ่ที่สุดบางส่วนที่มาถึงโลกมีน้ำหนักมากถึง 60 ตันซึ่งใกล้เคียงกับรถสองชั้นสองชั้น อุกกาบาตสามารถกำเนิดจากที่ใดก็ได้ในอวกาศ แต่มันก็มักจะเป็นหินจากดาวเคราะห์น้อยที่พบมากที่สุดในโลกในรูปของก้อนกรวดขนาดแม้ว่าชิ้นส่วนของดาวหางและดาวเคราะห์ก็สามารถปรากฏขึ้นได้ ดาวเคราะห์น้อยสามารถจบลงด้วยการพุ่งชนโลกหลังจากที่พวกเขาแตกออกจากดาวเคราะห์น้อยใหญ่ในอวกาศบ่อยครั้งที่เกิดการชนกับวัตถุอวกาศอื่นซึ่งอาจทำให้พวกมันแตกสลายอย่างสมบูรณ์หรือทำให้ชิ้นส่วนเล็ก ๆ ถูกกระแทกจากพื้นผิว ในอวกาศเมื่อดาวเคราะห์น้อยกลุ่มตัวอย่างเหล่านี้แตกตัวจากหินแม่ของพวกมันพวกมันถูกเรียกว่ามิเตอร์และพวกมันสามารถใช้เวลาหลายร้อยหลายพันหรือบางทีอาจเป็นล้านปีเดินทางผ่านอวกาศจนกว่าจะชนกับดวงจันทร์ดาวเคราะห์หรือดวงอาทิตย์ เมื่อหินเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงอื่นมันจะกลายเป็นดาวตกและหากชิ้นส่วนเหล่านี้ไปถึงพื้นผิวโลกหรือพื้นผิวของดาวเคราะห์ดวงอื่นหรือดวงจันทร์พวกมันจะกลายเป็นอุกกาบาต ไม่มีอะไรมหัศจรรย์เกี่ยวกับหินอวกาศที่เข้ามากลายเป็นอุกกาบาตมันเป็นเพียงชื่อที่หินได้รับเมื่อมันกลายเป็นนิ่งที่พื้นผิวของร่างกายที่มันพบ [Meteor Storms: การแสดงผลของ 'Shooting Stars' ที่น่าตื่นตา (Infographics)]
หากหินอวกาศเหล่านี้มาถึงโลกโดยธรรมชาติฟรีคุณอาจสงสัยว่าทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงต้องลำบากในการไปเยี่ยมอวกาศเพื่อลองสุ่มตัวอย่างเลย แม้ว่าความจริงที่ว่าก้อนหินที่ตกลงสู่โลกนั้นมีตัวอย่างของระบบสุริยะในวงกว้างมากกว่ามนุษย์ที่สามารถเยี่ยมชมได้ในหลายช่วงชีวิต แต่ตัวอย่างเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเอนเอียงไปทางวัตถุที่สามารถอยู่รอดได้ดีที่สุด ปัญหาเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันที่สูงมากโดยหินหรือวัตถุใด ๆ ในระหว่างการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจากอวกาศสู่โลกการแปรผันที่มีขนาดใหญ่พอที่จะกำจัดหินในหลาย ๆ กรณี
การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิระหว่างการเข้าสู่บรรยากาศเกิดขึ้นเป็นผลโดยตรงจากความเร็วที่เข้ามาสูงของวัตถุซึ่งสามารถอยู่ที่ใดก็ได้จากประมาณ 10km / s ถึง 70km / s (25,000mph ถึง 150,000mph) ปัญหาของหินอวกาศที่เข้ามาเมื่อเดินทางด้วยความเร็วที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้คือบรรยากาศไม่สามารถเคลื่อนที่ออกจากทางได้เร็วพอ ผลกระทบดังกล่าวจะหายไปเมื่อหินเคลื่อนที่ผ่านอวกาศเพราะอวกาศเป็นสุญญากาศดังนั้นจึงมีโมเลกุลน้อยเกินไปที่จะชนเข้าด้วยกัน หินที่เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศจะมีการกระแทกและการบีบอัดกับโมเลกุลที่พบทำให้พวกมันกองพะเนินและแยกตัวออกเป็นอะตอมขององค์ประกอบ อะตอมเหล่านี้แตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างชั้นของพลาสม่ายองที่ถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิที่สูงมาก - สูงถึง 20,000 องศาเซลเซียส (36,032ºF) - และห่อหุ้มหินอวกาศทำให้มันร้อนเป็นพิเศษ ผลก็คือหินดูเหมือนจะถูกเผาไหม้และเรืองแสงในชั้นบรรยากาศ; สิ่งที่เราอาจเรียกว่าลูกไฟหรือดาวยิงขึ้นอยู่กับขนาดของมัน
ผลกระทบของกระบวนการนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่น่าทึ่งต่อหินที่เข้ามาซึ่งจริง ๆ แล้วทำให้เราทราบได้ง่ายขึ้นเมื่อมันกลายเป็นอุกกาบาตบนพื้นผิวโลก นั่นคือการก่อตัวของฟิวชั่นเปลือกซึ่งพัฒนาเป็นหินแทรกซึมชั้นบรรยากาศที่ต่ำกว่าและจะชะลอตัวลงและความร้อนจากแรงเสียดทานกับอากาศ ส่วนด้านนอกของหินเริ่มละลายและส่วนผสมของของเหลวและก๊าซที่ก่อตัวขึ้นจะถูกพัดพาออกจากด้านหลังของอุกกาบาตและนำความร้อนไปด้วย ในขณะที่กระบวนการนี้เป็นแบบต่อเนื่องและหมายความว่าความร้อนไม่สามารถเจาะหิน (เช่นทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความร้อน) เมื่ออุณหภูมิลดลงในที่สุด 'ความร้อนโล่' หลอมเหลวจะแข็งตัวเป็นของเหลวสุดท้ายที่เหลืออยู่จะเย็นตัวลงที่ผิวของหิน เปลือก. เปลือกอุกกาบาตที่เป็นสีดำและเงางามมักเกิดขึ้นเป็นคุณสมบัติที่โดดเด่นซึ่งมักจะถูกนำมาใช้เพื่อช่วยระบุและแยกแยะหินเหล่านี้นอกเหนือจากหินภาคพื้นดิน การก่อตัวของฟิวชั่นเปลือกปกป้องส่วนภายในของอุกกาบาตจากผลกระทบที่เลวร้ายที่สุดของความร้อนรักษาองค์ประกอบของดาวเคราะห์น้อยดาวหางหรือดาวเคราะห์ที่มันมา อย่างไรก็ตามอุกกาบาตมีลักษณะคล้ายกับพ่อแม่ของพวกเขาอย่างใกล้ชิด ในกระบวนการก่อตัวของฟิวชั่นเปลือกโลกหินจะสูญเสียส่วนประกอบที่ระเหยได้บางส่วนเมื่อถูกต้มด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่มีประสบการณ์ในชั้นนอกของหิน วิธีเดียวที่จะได้รับตัวอย่าง 'สมบูรณ์แบบ' คือการรวบรวมตัวอย่างโดยตรงจากวัตถุอวกาศและส่งกลับมาในยานอวกาศ อย่างไรก็ตามเนื่องจากอุกกาบาตเป็นตัวอย่างฟรีจากอวกาศและมีความอุดมสมบูรณ์มากกว่าตัวอย่างที่ถูกส่งคืนโดยภารกิจอวกาศพวกเขาเสนอโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบดาวเคราะห์น้อยดาวหางและแม้แต่ดาวเคราะห์อื่น ๆ พวกมันถูกศึกษาอย่างหนักบนโลกด้วยเหตุผลนี้ [6 ข้อเท็จจริงสนุกเกี่ยวกับดาวหาง Pan-STARRS]
แม้จะมีการก่อตัวของเปลือกฟิวชั่นผลกระทบของการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศสามารถค่อนข้างรุนแรงและทำลายล้าง หินเหล่านั้นที่มีแรงอัดต่ำกว่าหรือมีการบีบอัดต่ำกว่าความแข็งแรงมีโอกาสน้อยที่จะรอดจากประสบการณ์ ถ้าวัตถุมีชีวิตอยู่ชะลอตัวลงไปในชั้นบรรยากาศแรงอัดของมันจะต้องมากกว่าความดันอากาศพลศาสตร์สูงสุดที่มันสัมผัส ความดันอากาศพลศาสตร์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศซึ่งขึ้นอยู่กับดาวเคราะห์ที่วัตถุพบ ยกตัวอย่างเช่นดาวอังคารมีชั้นบางกว่าโลกที่ไม่ทำหน้าที่ชะลอวัตถุที่เข้ามามากนักและอธิบายว่าทำไมวิศวกรอวกาศต้องคิดอย่างรอบคอบเกี่ยวกับการลงจอดยานอวกาศบนพื้นผิวดาวเคราะห์แดงเนื่องจากระบบชะลอตัวไม่สามารถทำได้ ถูกทดสอบล่วงหน้าบนโลก
กำลังอัดของหินถูกควบคุมโดยองค์ประกอบของมัน: สัดส่วนของแร่หิน, โลหะ, วัสดุคาร์บอน, ระยะระเหย, จำนวนพื้นที่รูขุมขนและวัสดุที่ประกอบเข้าด้วยกันได้ดีเพียงใด ตัวอย่างเช่นหินอวกาศที่แข็งแกร่งเช่นดาวเคราะห์น้อยที่อุดมไปด้วยธาตุเหล็กมีแนวโน้มที่จะอยู่รอดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความดันที่รุนแรงขณะที่พวกมันพุ่งเข้าหาชั้นบรรยากาศของโลก อุกกาบาตที่เต็มไปด้วยหินก็มีความแข็งแกร่งเช่นกันแม้ว่าจะมีธาตุเหล็กเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยก็ตาม ถึงแม้ว่าเหล็กจะมีความแข็งแรง แต่แร่ธาตุจากหินสามารถผูกมัดได้ดีเพื่อสร้างหินที่แข็งแรงเช่นกัน อุกกาบาตที่มีโอกาสน้อยที่จะรอดชีวิตจากการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่ไม่สมบูรณ์นั้นเป็นสิ่งที่มีปริมาณของสารระเหยที่สูงขึ้นพื้นที่ที่เป็นรูพรุนระยะที่เป็นคาร์บอนและแร่ธาตุที่เรียกว่าไฮเดรต ขั้นตอนดังกล่าวมีความอุดมสมบูรณ์สูงในอุกกาบาตที่รู้จักกันในชื่อ chondrites ของคาร์บอนและดาวหาง ดังนั้นวัตถุเหล่านี้จึงมีความไวต่อผลกระทบของการให้ความร้อนและไม่สามารถต้านทานแรงแอโรไดนามิกที่พวกมันสัมผัสเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศของโลก ในบางกรณีพวกเขาไม่มีอะไรมากไปกว่าหิมะฟูมฟักที่รวมตัวกันอย่างหลวม ๆ กับสิ่งสกปรกบางอย่างที่ปะปนอยู่แม้ว่าคุณจะโยนก้อนหิมะที่ทำจากวัสดุผสมเช่นนี้คุณอาจคาดว่ามันจะสลายตัวในอากาศ นี่แสดงให้เห็นว่าทำไมตัวอย่างของดาวหางขนาดใหญ่โดยทั่วไปถือว่าไม่น่าจะรอดจากความกดดันและความร้อนที่เกิดจากการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโดยไม่เกิดการระเบิดการระเบิดหรือการแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่าพวกเขาได้พบอุกกาบาตขนาดใหญ่โดยเฉพาะจากดาวหางเนื่องจากโครงสร้างที่เปราะบางอย่างมากที่พวกเขาคาดว่าจะมี ผลที่ได้จากทั้งหมดนี้คือหินอวกาศบางก้อนเป็นอุกกาบาตบนโลกเพียงเพราะองค์ประกอบของพวกมันทนต่อผลกระทบของการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้ดีขึ้น
คัดลอกมาจากการจับละอองดาว: ดาวหางดาวเคราะห์น้อยและการกำเนิดของระบบสุริยะโดยนาตาลีสตาร์กี้ ลิขสิทธิ์© Natalie Starkey 2018 จัดพิมพ์โดย Bloomsbury Sigma สำนักพิมพ์ของ Bloomsbury Publishing พิมพ์ซ้ำได้รับอนุญาต
