Fangen Stardust: Eine umfassende Erforschung von Kometen und Asteroiden

Natalie Starkey ist seit mehr als 10 Jahren in der Weltraumforschung aktiv. Sie war an Probenrückführungs-Weltraummissionen wie NASA Stardust und JAXA Hayabusa beteiligt und wurde eingeladen, bei einem der Instrumenten-Teams für die bahnbrechende ESA-Rosetta-Kometenmission mitzuarbeiten.

Ihr neues Buch "Catching Stardust" untersucht, was wir über Kometen und Asteroiden herausfinden - wie wir darüber erfahren und was die staubigen, eisigen Gesteine ​​über die Ursprünge des Sonnensystems erzählen müssen. Lesen Sie hier ein Interview mit Starkey über ihr neues Buch.

Im Folgenden finden Sie einen Auszug aus Kapitel 3 von "Fangen Stardust". [Beste enge Begegnungen der Kometen Art]

Kometen und Asteroiden auf der Erde

Im Laufe der letzten 50 Jahre hat sich die Rauminstrumentierung immer weiter entwickelt, da Menschen eine Vielzahl von verschiedenen Objekten in unserem Sonnensystem verfolgt haben, um zu fotografieren, zu messen und Proben zu nehmen. Menschen haben erfolgreich einen voll funktionsfähigen Rover auf dem Planeten Mars platziert, um über seine Oberfläche zu wandern, Proben zu bohren und zu sammeln, um an Bord seiner Ladung wissenschaftlicher Instrumente zu analysieren. Ein hochentwickeltes wissenschaftliches Labor wurde auch auf einer jahrzehntelangen Reise in den Weltraum geschickt, um auf einem rasenden Kometen aufzuspüren und zu landen, um Analysen seiner Gesteine, Eis und Gase durchzuführen. Und das sind nur einige der neueren Highlights der Weltraumforschung. Trotz dieser Fortschritte und erstaunlichen Errungenschaften existieren auf der Erde die besten und am leichtesten zu kontrollierenden wissenschaftlichen Instrumente. Das Problem ist, dass diese Erdinstrumente nicht ohne weiteres in den Weltraum geschickt werden können - sie sind zu schwer und zu empfindlich, um an Bord einer Rakete zu starten, und sie benötigen nahezu perfekte Bedingungen, um mit Präzision und Genauigkeit zu funktionieren. Die Weltraumumgebung ist kein freundlicher Ort mit erheblichen Temperatur- und Druckextremen, Bedingungen, die nicht für empfindliche und manchmal temperamentvolle Laborinstrumente geeignet sind.

Das Ergebnis ist, dass es oft viele Vorteile gibt, Weltraumproben zur sorgfältigen, überlegten und präzisen Analyse zur Erde zu bringen, im Gegensatz zu dem Versuch, fortschrittliche Laborinstrumente in den Weltraum zu bringen. Das Hauptproblem ist jedoch, dass das Sammeln von Gestein im Weltraum und das sichere Zurückbringen auf die Erde keine einfache Aufgabe ist. Tatsächlich wurde die Probenrückführung aus dem Weltraum nur wenige Male erreicht: vom Mond mit den Apollo- und Luna-Missionen in den 1970ern, vom Asteroiden Itokawa mit der Hayabusa-Mission und vom Kometen 81P / Wild2 mit der Stardust-Mission. Obwohl Hunderte von Kilogramm Mondgestein auf die Erde zurückgebracht wurden, lieferten die Missionen Hayabusa und Stardust nur winzige Mengen an Gesteinsproben zurück, um genau zu sein. Dennoch sind winzige Proben sicherlich besser als keine Proben, da selbst kleine Gesteine ​​eine immense Menge an Informationen in ihren Strukturen enthalten können - Geheimnisse, die Wissenschaftler mit ihren hochspezialisierten wissenschaftlichen Instrumenten auf der Erde freischalten können. [Wie man einen Asteroiden fängt: NASA-Mission erklärt (Infografik)]

Vor allem die Stardust-Mission hat viel dazu beigetragen, unser Wissen über die Zusammensetzung der Kometen zu erweitern. Die Kometenstaubproben, die auf die Erde zurückkehrten, werden die Wissenschaftler trotz ihrer begrenzten Masse noch viele Jahrzehnte beschäftigen. Wir werden in Kapitel 7 mehr über diese Mission und die wertvollen Proben erfahren, die wir gesammelt haben. Zum Glück gibt es Pläne für die Zukunft, Steine ​​aus dem Weltraum zu sammeln, wobei einige Missionen bereits unterwegs sind und andere auf ihre Finanzierung warten. Diese Missionen beinhalten Besuche von Asteroiden, Mond und Mars, und obwohl sie alle riskante Bestrebungen sind, ohne dass sie ihre Ziele erreichen können, ist es gut zu wissen, dass es Hoffnung auf die Rückkehr von Proben aus dem Weltraum für erdbasierte Analysen gibt in der Zukunft.

Die Ankunft von Weltraumfelsen auf der Erde

Zum Glück stellt sich heraus, dass es noch eine andere Möglichkeit gibt, Proben von Weltraumfelsen zu erhalten, und dass es nicht einmal darum geht, die sicheren Grenzen der Erde zu verlassen. Das liegt daran, dass Raumgesteine ​​auf natürliche Weise als Meteoriten zur Erde fallen. In der Tat fallen jährlich rund 40.000 bis 80.000 Tonnen Weltraumfelsen auf unseren Planeten. Diese Freiraumproben können mit kosmischen Kindereiern verglichen werden - sie sind mit himmlischen Preisen und Informationen über unser Sonnensystem gefüllt. Meteoriten können Proben von Asteroiden, Kometen und anderen Planeten enthalten, von denen die meisten noch nicht von Raumsonden beprobt wurden.

Von den Tausenden von Tonnen von Weltraumfelsen, die jedes Jahr auf der Erde ankommen, sind die meisten ziemlich klein, meist staubgroß, von denen wir in Kapitel 4 mehr erfahren werden, aber einige einzelne Gesteine ​​können ziemlich groß sein. Einige der größten Steinmeteoriten, die auf der Erde ankommen, haben ein Gewicht von bis zu 60 Tonnen, was in etwa dem von fünf Doppeldeckerbussen entspricht. Meteoriten können von überall im Weltraum herrühren, aber sie neigen dazu, Gesteine ​​von Asteroiden zu sein, die am häufigsten auf der Erde als kieselgroße Stücke gefunden werden, obwohl auch Teile von Kometen und Planeten erscheinen können. Chunks von Asteroiden können in Richtung Erde rasen, nachdem sie von ihrem größeren Asteroiden im Weltraum abgebrochen sind, oft während Kollisionen mit anderen Weltraumobjekten, was dazu führen kann, dass sie vollständig auseinanderbrechen oder kleine Stücke von ihren Oberflächen geklopft werden. Sobald diese kleinen Asteroidensplitter sich aus ihrem Muttergestein gelöst haben, werden sie im Raum als Meteroide bezeichnet. Sie können hunderte, tausende, vielleicht sogar Millionen Jahre im Weltraum verbringen, bis sie schließlich mit einem Mond, einem Planeten oder der Sonne kollidieren. Wenn der Stein in die Atmosphäre eines anderen Planeten eintritt, wird er zu einem Meteor und wenn und wenn diese Teilchen die Erdoberfläche oder die Oberfläche eines anderen Planeten oder Mondes erreichen, werden sie zu Meteoriten.Es gibt nichts Magisches an einem ankommenden Weltraumfelsen, der sich in einen Meteoriten verwandelt, es ist einfach ein Name, den der Stein empfängt, wenn er an der Oberfläche des Körpers, auf den er trifft, stationär wird. [Meteor Storms: Wie supersized Displays von 'Shooting Stars' Arbeit (Infografiken)]

Wenn all diese Weltraumfelsen natürlich kostenlos auf der Erde ankommen, dann könntest du dich fragen, warum Wissenschaftler sich die Mühe machen, den Weltraum zu besuchen, um überhaupt Proben zu nehmen. Trotz der Tatsache, dass die auf die Erde fallenden Gesteine ​​eine viel größere Bandbreite an Objekten des Sonnensystems aufnehmen, als Menschen in vielen Lebenszeiten sehen können, tendieren diese Proben zu jenen, die die harten Effekte des atmosphärischen Eindringens am besten überstehen können. Das Problem tritt aufgrund der extremen Temperatur- und Druckänderungen auf, die ein Stein oder irgendein Objekt während des Eintritts der Atmosphäre aus dem Weltraum zur Erde erfährt, Variationen, die groß genug sind, um einen Stein in vielen Fällen vollständig auszulöschen.

Temperaturänderungen während des Eintritts in die Atmosphäre treten als direkte Folge der hohen Einfallsgeschwindigkeit des Objekts auf, die irgendwo zwischen etwa 10 km / s und 70 km / s (25.000 mph bis 150.000 mph) liegen kann. Das Problem für den ankommenden Weltraumfelsen bei Reisen mit diesen Hyperschallgeschwindigkeiten ist, dass die Atmosphäre nicht schnell genug aus dem Weg gehen kann. Solch ein Effekt ist nicht vorhanden, wenn ein Fels durch den Raum reist, einfach weil der Raum ein Vakuum ist, so dass zu wenige Moleküle vorhanden sind, um ineinander zu schlagen. Ein Gestein, das sich durch eine Atmosphäre bewegt, übt auf die Moleküle, auf die es trifft, eine schlagende und komprimierende Wirkung aus, wodurch sie sich anhäufen und in ihre Teilatome dissoziieren. Diese Atome ionisieren, um eine Hülle aus Glühplasma zu erzeugen, die auf extrem hohe Temperaturen - bis zu 20.000 Grad Celsius (36.032 ºF) erhitzt wird - und das Raumgestein einhüllt, wodurch es überhitzt wird. Das Ergebnis ist, dass das Gestein in der Atmosphäre zu brennen und zu glühen scheint; was wir je nach Größe Feuerball oder Sternschnuppe nennen könnten.

Die Auswirkungen dieses Prozesses führen zu einer bemerkenswerten physikalischen Veränderung des ankommenden Gesteins, die es uns tatsächlich erleichtert, zu erkennen, wann es zu einem Meteoriten auf der Erdoberfläche wird. Das heißt, die Bildung einer Schmelzkruste, die sich entwickelt, wenn das Gestein die untere Atmosphäre durchdringt und durch Reibung mit der Luft abgebremst und erhitzt wird. Der äußere Teil des Gesteins beginnt zu schmelzen, und die Mischung aus Flüssigkeit und Gas, die sich bildet, wird vom Rücken des Meteoriten abgefegt und nimmt die Hitze mit sich. Während dieser Prozess kontinuierlich ist und bedeutet, dass die Wärme nicht in das Gestein eindringen kann (und somit wie ein Hitzeschild wirkt), erstarrt der geschmolzene "Hitzeschild", wenn die Temperatur schließlich absinkt, während die letzte verbleibende Flüssigkeit an der Gesteinsoberfläche abkühlt, um die Verschmelzung zu bilden Kruste. Die resultierende dunkle, oft glänzende Rinde auf Meteoriten ist ein markantes Merkmal, das oft dazu verwendet werden kann, sie zu identifizieren und sie von irdischen Gesteinen zu unterscheiden. Die Bildung der Schmelzkruste schützt die inneren Teile des Meteoriten vor den schlimmsten Auswirkungen der Hitze und bewahrt die Zusammensetzung des Asteroiden, Kometen oder Planeten, aus dem er stammt. Obwohl Meteoriten ihren Eltern sehr ähnlich sind, sind sie keine exakte Übereinstimmung. Bei der Bildung der Fusionskruste verliert das Gestein einige seiner flüchtigeren Bestandteile, da diese bei den extremen Temperaturänderungen in den äußeren Schichten des Gesteins verkocht werden. Die einzige Möglichkeit, ein "perfektes" Muster zu erhalten, wäre, eines direkt von einem Weltraumobjekt zu sammeln und es in einem Raumfahrzeug zurückzugeben. Da es sich bei Meteoriten jedoch um freie Proben aus dem Weltraum handelt, und sicherlich um mehr als Proben, die von Weltraummissionen zurückgesandt werden, bieten sie Wissenschaftlern eine großartige Gelegenheit, herauszufinden, aus welchen Asteroiden, Kometen und sogar anderen Planeten sie bestehen. Aus diesem Grund werden sie auf der Erde intensiv studiert. [6 Spaß Fakten über Komet Pan-STARRS]

Trotz der Bildung einer Schmelzkruste können die Auswirkungen des Eintritts in die Atmosphäre ziemlich hart und zerstörerisch sein. Jene Steine ​​mit niedrigerer kompressiver oder niedrigerer Quetschfestigkeit sind weniger wahrscheinlich, um die Erfahrung zu überleben; Wenn ein Objekt die Verzögerung durch die Atmosphäre überlebt, muss seine Druckfestigkeit größer sein als der maximale aerodynamische Druck, den es erfährt. Der aerodynamische Druck ist direkt proportional zur lokalen Dichte der Atmosphäre, die davon abhängt, auf welchen Planeten ein Objekt trifft. So hat zum Beispiel Mars eine dünnere Atmosphäre als die Erde, die nicht dazu beiträgt, ankommende Objekte zu verlangsamen und erklärt, warum Weltraumingenieure sehr sorgfältig über die Landung von Raumfahrzeugen auf der Oberfläche des roten Planeten nachdenken müssen, da ihre Entschleunigungssysteme dies nicht können vorher auf der Erde getestet werden.

Die Druckfestigkeit eines Gesteins wird durch seine Zusammensetzung gesteuert: sein Anteil an Gesteinsmineralien, Metallen, kohlenstoffhaltigem Material, flüchtigen Phasen, der Menge an Porenraum und wie gut seine Komponentenmaterialien zusammen verpackt sind. Robuste Weltraumgesteine, wie die der eisenreichen Asteroiden, neigen dazu, die extremen Temperatur- und Druckänderungen zu überstehen, wenn sie mit großer Geschwindigkeit durch die Erdatmosphäre fliegen. Die Steinmeteorite sind auch ziemlich robust, auch wenn sie wenig oder kein Eisen enthalten. Obwohl Eisen stark ist, können Gesteinsmineralien sehr gut miteinander verbunden werden, um auch ein hartes Stück Stein zu bilden. Die Meteoriten, die den atmosphärischen Eintritt intakter kaum überleben, sind jene, die einen höheren Anteil an flüchtigen Stoffen, Porenraum, kohlenstoffhaltigen Phasen und sogenannten hydratisierten Mineralien enthalten - jene, die Wasser in ihre Wachstumsstruktur aufgenommen haben. Solche Phasen sind in den Meteoriten, die als kohlenstoffhaltige Chondrite bekannt sind, und auch in den Kometen sehr häufig.Diese Objekte sind daher empfindlicher gegenüber den Auswirkungen von Erwärmung und können den aerodynamischen Kräften, die sie erfahren, wenn sie durch die Erdatmosphäre reisen, nicht standhalten. In einigen Fällen sind sie nicht mehr als eine lose zusammengewachsene Handvoll flauschigen Schnees mit eingemischtem Schmutz. Selbst wenn man einen Schneeball aus solch einer Materialmischung wirft, könnte man erwarten, dass er sich in der Luft auflöst. Dies zeigt, warum eine große Probe eines Kometen in der Regel als unwahrscheinlich gilt, um die harten Druck- und Erwärmungseffekte des atmosphärischen Eintritts zu überstehen, ohne zu schmelzen, zu explodieren oder in sehr kleine Stücke aufzuteilen. Trotz der großen Sammlung von Meteoriten auf der Erde sind die Wissenschaftler immer noch nicht sicher, dass sie einen großen Meteoriten speziell von einem Kometen wegen der extrem fragilen Strukturen gefunden haben, die sie erwartet haben. Das Ergebnis all dessen ist, dass einige Weltraumfelsen als Meteoriten auf der Erde überrepräsentiert sind, einfach weil ihre Zusammensetzungen den Auswirkungen des atmosphärischen Eindringens besser standhalten.

Auszug aus Catching Stardust: Kometen, Asteroiden und die Geburt des Sonnensystems von Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Herausgegeben von Bloomsbury Sigma, einem Abdruck von Bloomsbury Publishing. Mit Erlaubnis nachgedruckt.