Catching Stardust, een nieuw boek van Natalie Starkey, onderzoekt onze relatie met kometen en asteroïden.
(Afbeelding: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey is al meer dan 10 jaar actief betrokken bij ruimtewetenschappelijk onderzoek. Ze was betrokken bij ruimtevaartmissies met monsterretour, zoals NASA Stardust en JAXA Hayabusa, en ze was uitgenodigd als co-onderzoeker bij een van de instrumentteams voor de baanbrekende ESA Rosetta-komeetmissie.
Haar nieuwe boek 'Catching Stardust' onderzoekt wat we ontdekken over kometen en asteroïden - hoe we erover leren en wat de stoffige, ijzige rotsen te vertellen hebben over de oorsprong van het zonnestelsel. Lees hier een Q&A met Starkey over haar nieuwe boek.
Hieronder is een fragment uit hoofdstuk 3 van "Catching Stardust". [Best Close Encounters of the Comet Kind]
Kometen en asteroïden op aarde
In de loop van de afgelopen 50 jaar is ruimte-instrumentatie steeds geavanceerder geworden, aangezien mensen een gevarieerd aantal verschillende objecten in ons zonnestelsel hebben nagestreefd om ze te meten, te meten en te bemonsteren. Mensen hebben met succes een volledig functionerende rover op de planeet Mars geplaatst om over het oppervlak te zwerven, monsters te boren en te verzamelen om de lading wetenschappelijke instrumenten aan boord te analyseren. Een geavanceerd wetenschappelijk laboratorium is ook de ruimte ingestuurd tijdens een reis van tien jaar om de inhaalbeweging in te halen en te landen op een snel rijdende komeet om analyses uit te voeren van zijn rotsen, ijs en gassen. En dit is om maar een paar van de meer recente hoogtepunten van ruimteverkenning te noemen. Ondanks deze vooruitgang en verbazingwekkende prestaties bestaan er echter de beste en gemakkelijkst te controleren wetenschappelijke instrumenten op aarde. Het probleem is dat deze aardingsinstrumenten niet gemakkelijk de ruimte in kunnen worden gestuurd - ze zijn te zwaar en gevoelig om aan boord van een raket te lanceren en ze hebben bijna perfecte omstandigheden nodig om met precisie en nauwkeurigheid te presteren. De ruimteomgeving is geen vriendelijke plek, met aanzienlijke extremen in temperatuur en druk, omstandigheden die niet geschikt zijn voor delicate en soms temperamentvolle laboratoriuminstrumenten.
Het resultaat is dat het vaak veel voordelen biedt om monsters van ruimterots naar de aarde terug te brengen voor een zorgvuldige, weloverwogen en nauwkeurige analyse, in tegenstelling tot pogingen om geavanceerde laboratoriuminstrumenten in de ruimte te lanceren. Het grote probleem is echter dat het verzamelen van stenen in de ruimte en het veilig terugbrengen naar de aarde ook geen eenvoudige taak is. In feite is de terugkeer van monsters uit de ruimte slechts een paar keer bereikt: van de maan met de Apollo- en Luna-missies in de jaren 70, van de asteroïde Itokawa met de Hayabusa-missie en van komeet 81P / Wild2 met de Stardust-missie. Hoewel honderden kilo's maangesteente zijn teruggegeven aan de aarde, hebben de missies Hayabusa en Stardust slechts kleine hoeveelheden gesteentemonster teruggegeven - fragmenten van stofformaat om precies te zijn. Toch zijn kleine monsters zeker beter dan geen monsters, aangezien zelfs kleine rotsen een enorme hoeveelheid informatie in hun structuren kunnen bevatten - geheimen die wetenschappers kunnen ontsluiten met hun zeer gespecialiseerde wetenschappelijke instrumenten op aarde. [Hoe een asteroïde te vangen: NASA-missie uitgelegd (Infographic)]
Vooral de Stardust-missie heeft veel bereikt om onze kennis van de samenstelling van kometen te vergroten. De komeetstofmonsters die het naar de aarde terugstuurde, zullen wetenschappers, ondanks hun beperkte massa, nog vele decennia bezig houden. We zullen meer leren over deze missie en de kostbare monsters die het heeft verzameld in hoofdstuk 7. Gelukkig zijn er toekomstige plannen voor het verzamelen van stenen uit de ruimte, met sommige missies al onderweg en andere in afwachting van financiering. Deze missies omvatten bezoeken aan asteroïden, de maan en Mars, en hoewel ze allemaal risicovolle inspanningen kunnen zijn zonder garantie dat ze hun doelen zullen bereiken, is het goed om te weten dat er hoop is voor de terugkeer van monsters uit de ruimte voor analyse op aarde in de toekomst.
De komst van ruimterotsen op aarde
Gelukkig blijkt dat er een andere manier is om monsters van ruimterotsen te verkrijgen en het betekent niet eens dat je de veilige grenzen van de aarde verlaat. Dit komt omdat ruimterotsen van nature als meteorieten naar de aarde vallen. In feite valt jaarlijks zo'n 40.000 tot 80.000 ton ruimtesteen op onze planeet. Deze monsters van vrije ruimte kunnen worden vergeleken met kosmische Kindereieren - ze zitten boordevol hemelse prijzen, informatie over ons zonnestelsel. Meteorieten kunnen monsters bevatten van asteroïden, kometen en andere planeten, waarvan de meeste nog niet door ruimtevaartuigen zijn bemonsterd.
Van de duizenden tonnen ruimtesteen die elk jaar op aarde aankomen, is het merendeel vrij klein, meestal van stofgrootte, waarover we in hoofdstuk 4 meer zullen leren, maar sommige individuele gesteenten kunnen behoorlijk groot zijn. Enkele van de grootste steenachtige meteorieten die op aarde arriveren, wegen tot 60 ton, wat ongeveer hetzelfde is als vijf dubbeldekkers. Meteorieten kunnen overal in de ruimte ontstaan, maar het zijn meestal rotsen van asteroïden die het vaakst op aarde voorkomen als stukjes kiezelsteen, hoewel er ook stukjes kometen en planeten kunnen verschijnen. Brokken asteroïden kunnen uiteindelijk naar de aarde razen nadat ze zijn afgebroken van hun grotere ouder-asteroïde in de ruimte, vaak tijdens botsingen met andere ruimtevoorwerpen, waardoor ze volledig uit elkaar kunnen breken of kleine stukjes van hun oppervlak kunnen worden geslagen. In de ruimte worden deze kleine monsters van asteroïden, zodra ze zijn losgeraakt van hun oudergesteente, meteroïden genoemd en kunnen ze honderden, duizenden, misschien zelfs miljoenen jaren door de ruimte reizen totdat ze uiteindelijk in botsing komen met een maan, een planeet of de zon. Als de rots de atmosfeer van een andere planeet binnengaat, wordt het een meteoor en als en wanneer deze stukjes het aardoppervlak of het oppervlak van een andere planeet of maan bereiken, worden ze meteorieten. Er is niets magisch aan een binnenkomende ruimtesteen die in een meteoriet verandert, het is gewoon een naam die de rots krijgt wanneer hij stationair wordt aan het oppervlak van het lichaam dat hij ontmoet. [Meteor Storms: hoe grote weergaven van 'vallende sterren' werken (infographics)]
Als al deze ruimterotsen van nature gratis op aarde aankomen, dan vraag je je misschien af waarom wetenschappers de moeite nemen om de ruimte te bezoeken om te proberen te bemonsteren. Ondanks het feit dat de naar de aarde vallende rotsen een veel breder scala aan objecten van het zonnestelsel bemonsteren dan mensen in vele levens kunnen bezoeken, neigen deze monsters naar de die de harde effecten van atmosferische toegang het beste kunnen overleven. Het probleem doet zich voor vanwege de extreme temperatuur- en drukveranderingen die een rots of een ander object ervaart tijdens atmosferische binnenkomst vanuit de ruimte naar de aarde, variaties die groot genoeg zijn om een rots in veel gevallen volledig uit te wissen.
Temperatuurveranderingen tijdens atmosferische invoer treden op als een direct gevolg van de hoge inkomende snelheid van het object, die kan variëren van ongeveer 10 km / s tot 70 km / s (25.000 mph tot 150.000 mph). Het probleem voor de binnenkomende ruimtesteen bij het reizen met deze hypersonische snelheden is dat de atmosfeer niet snel genoeg uit de weg kan gaan. Een dergelijk effect is afwezig als een rots door de ruimte reist, simpelweg omdat ruimte een vacuüm is, dus er zijn te weinig moleculen aanwezig om in elkaar te kloppen. Een rots die door een atmosfeer reist, heeft een bufferend en comprimerend effect op de moleculen die het tegenkomt, waardoor ze zich opstapelen en dissociëren in hun samenstellende atomen. Deze atomen ioniseren om een omhulsel van gloeiend plasma te produceren dat wordt verwarmd tot extreem hoge temperaturen - tot 20.000 graden Celsius (36.032 ºF) - en omhult het ruimtesteen, waardoor het oververhit raakt. Het resultaat is dat de rots in de atmosfeer lijkt te branden en gloeien; wat we een vuurbal of een vallende ster zouden kunnen noemen, afhankelijk van de grootte.
De effecten van dit proces zorgen voor een opmerkelijke fysieke verandering in de inkomende rots, een die het ons eigenlijk gemakkelijker maakt om te identificeren wanneer het een meteoriet op het aardoppervlak wordt. Dat wil zeggen, de vorming van een smeltkorst, die zich ontwikkelt wanneer het gesteente de lagere atmosfeer binnendringt en wordt vertraagd en verwarmd door wrijving met de lucht. Het buitenste deel van de rots begint te smelten en het mengsel van vloeistof en gas dat wordt gevormd, wordt van de achterkant van de meteoriet geveegd en neemt de hitte mee. Hoewel dit proces continu is en betekent dat de warmte de rots niet kan binnendringen (en dus als een hitteschild werkt), wanneer de temperatuur uiteindelijk daalt, stolt het gesmolten 'hitteschild' als de laatste resterende vloeistof afkoelt aan het oppervlak van de rots om de fusie te vormen korst. De resulterende donkere, vaak glanzende korst op meteorieten is een onderscheidend kenmerk dat vaak kan worden gebruikt om ze te helpen identificeren en ze te onderscheiden van aardse rotsen. De vorming van de fusiekorst beschermt de interne delen van de meteoriet tegen de ergste effecten van de hitte, waardoor de samenstelling van de oorspronkelijke asteroïde, komeet of planeet behouden blijft. Hoewel meteorieten echter sterk op hun ouders lijken, zijn ze geen exacte match. Tijdens het vormen van de fusiekorst verliest het gesteente enkele van zijn meer vluchtige componenten als ze worden gekookt met de extreme temperatuurveranderingen die worden ervaren in de buitenste lagen van het gesteente. De enige manier om een 'perfect' monster te verkrijgen, is door er een rechtstreeks van een ruimtevoorwerp te verzamelen en in een ruimtevaartuig terug te sturen. Omdat meteorieten echter gratis monsters uit de ruimte zijn en zeker talrijker dan monsters die door ruimtemissies worden geretourneerd, bieden ze wetenschappers een geweldige kans om erachter te komen waar asteroïden, kometen en zelfs andere planeten echt van gemaakt zijn. Ze worden om deze reden zwaar bestudeerd op aarde. [6 leuke weetjes over Comet Pan-STARRS]
Ondanks de vorming van een smeltkorst, kunnen de effecten van atmosferische binnenkomst nogal hard en destructief zijn. Die rotsen met een lagere compressieve of lagere verpletterende kracht zullen de ervaring minder snel overleven; Als een object vertraging door de atmosfeer overleeft, moet de druksterkte meer zijn dan de maximale aerodynamische druk die het ervaart. Aerodynamische druk is recht evenredig met de lokale dichtheid van de atmosfeer, die afhankelijk is van welke planeet een object tegenkomt. Zo heeft Mars bijvoorbeeld een dunnere atmosfeer dan de aarde die niet zo goed werkt om binnenkomende objecten te vertragen en verklaart waarom ruimtetechnici heel goed moeten nadenken over het landen van ruimtevaartuigen op het oppervlak van de rode planeet, omdat hun vertragingssystemen niet kunnen vooraf getest worden op aarde.
De druksterkte van een gesteente wordt bepaald door de samenstelling: het aandeel gesteentemineralen, metalen, koolstofhoudend materiaal, vluchtige fasen, hoeveelheid poriënruimte en hoe goed de samenstellende materialen samen zijn verpakt. Sterke ruimterotsen, zoals die van de ijzerrijke asteroïden, overleven bijvoorbeeld de extreme veranderingen in temperatuur en druk terwijl ze met hoge snelheid door de atmosfeer van de aarde razen. De steenachtige meteorieten zijn ook behoorlijk robuust, zelfs als ze weinig of geen ijzer bevatten. Hoewel ijzer sterk is, kunnen gesteentemineralen zelf zeer goed worden gebonden om ook een taai stuk steen te creëren. De meteorieten die de atmosferische intrede minder waarschijnlijk intact zullen overleven, zijn die met een hoger percentage vluchtige stoffen, porieruimte, koolstofhoudende fasen en zogenaamde gehydrateerde mineralen - die die water hebben opgenomen in hun groeistructuur. Dergelijke fasen zijn in overvloed aanwezig in de meteorieten die bekend staan als koolstofhoudende chondrieten en ook de kometen. Deze objecten zijn daarom gevoeliger voor de effecten van verwarming en zijn niet bestand tegen de aerodynamische krachten die ze ervaren tijdens het reizen door de atmosfeer van de aarde. In sommige gevallen zijn ze niets meer dan een losjes samengevoegde handvol pluizige sneeuw met wat vuil erin gemengd. Zelfs als je een sneeuwbal van zo'n materiaalmix gooide, zou je verwachten dat hij in de lucht uiteen zou vallen. Dit toont aan waarom het algemeen onwaarschijnlijk is dat een groot monster van een komeet de harde druk en verwarmingseffecten van atmosferische binnendringing zal overleven zonder te smelten, exploderen of in zeer kleine stukjes uiteen te vallen. Als zodanig zijn wetenschappers, ondanks de grote collecties meteorieten op aarde, er nog steeds niet zeker van dat ze een grote meteoriet specifiek van een komeet hebben gevonden vanwege de extreem kwetsbare structuren die ze naar verwachting zullen hebben. Het resultaat van dit alles is dat sommige ruimtesteentjes oververtegenwoordigd zijn als meteorieten op aarde, simpelweg omdat hun composities beter bestand zijn tegen de effecten van atmosferische invloeden.
Overgenomen uit Catching Stardust: Comets, Asteroids and the Birth of the Solar System door Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Uitgegeven door Bloomsbury Sigma, een afdruk van Bloomsbury Publishing. Herdrukt met toestemming.
