Catching Stardust, ein neues Buch von Natalie Starkey, untersucht unsere Beziehung zu Kometen und Asteroiden.
(Bild: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey ist seit mehr als 10 Jahren in der Weltraumforschung aktiv. Sie war an Weltraummissionen wie NASA Stardust und JAXA Hayabusa beteiligt und wurde als Co-Ermittlerin in einem der Instrumententeams für die bahnbrechende ESA Rosetta-Kometenmission eingeladen.
Ihr neues Buch "Catching Stardust" untersucht, was wir über Kometen und Asteroiden entdecken - wie wir über sie erfahren und was die staubigen, eisigen Felsen über die Ursprünge des Sonnensystems zu erzählen haben. Lesen Sie hier ein Interview mit Starkey über ihr neues Buch.
Unten finden Sie einen Auszug aus Kapitel 3 von "Carding Stardust". [Best Close Encounters der Art Comet]
Kometen und Asteroiden auf der Erde
In den letzten 50 Jahren ist die Weltrauminstrumentierung immer weiter fortgeschritten, da Menschen eine Vielzahl unterschiedlicher Objekte in unserem Sonnensystem verfolgt haben, um sie abzubilden, zu messen und abzutasten. Menschen haben erfolgreich einen voll funktionsfähigen Rover auf dem Planeten Mars platziert, um über seine Oberfläche zu streifen, Proben zu bohren und zu sammeln, um an Bord seiner Ladung wissenschaftlicher Instrumente zu analysieren. Ein hoch entwickeltes wissenschaftliches Labor wurde ebenfalls auf eine jahrzehntelange Reise ins All geschickt, um einen schnell fahrenden Kometen einzuholen und auf ihm zu landen, um Analysen seiner Gesteine, Eis und Gase durchzuführen. Und dies sind nur einige der jüngsten Höhepunkte der Weltraumforschung. Trotz dieser Fortschritte und erstaunlichen Erfolge gibt es auf der Erde die besten und am einfachsten zu kontrollierenden wissenschaftlichen Instrumente. Das Problem ist, dass diese Erdinstrumente nicht einfach in den Weltraum geschickt werden können - sie sind zu schwer und empfindlich, um an Bord einer Rakete zu starten, und sie benötigen nahezu perfekte Bedingungen, um präzise und genau zu arbeiten. Die Weltraumumgebung ist kein freundlicher Ort mit erheblichen extremen Temperatur- und Druckbedingungen, Bedingungen, die nicht für empfindliche und manchmal temperamentvolle Laborinstrumente geeignet sind.
Das Ergebnis ist, dass es oft viele Vorteile bringt, Weltraumgesteinsproben zur sorgfältigen, überlegten und präzisen Analyse auf die Erde zurückzubringen, anstatt zu versuchen, fortschrittliche Laborinstrumente in den Weltraum zu bringen. Das Hauptproblem ist jedoch, dass es auch keine einfache Aufgabe ist, Steine im Weltraum zu sammeln und sicher zur Erde zurückzubringen. Tatsächlich wurde die Probenrückgabe aus dem Weltraum nur wenige Male erreicht: vom Mond mit den Apollo- und Luna-Missionen in den 1970er Jahren, vom Asteroiden Itokawa mit der Hayabusa-Mission und vom Kometen 81P / Wild2 mit der Stardust-Mission. Obwohl Hunderte Kilogramm Mondgestein auf die Erde zurückgebracht wurden, gaben die Missionen Hayabusa und Stardust nur winzige Mengen an Gesteinsproben zurück - genauer gesagt staubgroße Fragmente. Dennoch sind winzige Proben sicherlich besser als keine Proben, da selbst kleine Steine eine immense Menge an Informationen in ihren Strukturen enthalten können - Geheimnisse, die Wissenschaftler mit ihren hochspezialisierten wissenschaftlichen Instrumenten auf der Erde aufdecken können. [Wie man einen Asteroiden fängt: NASA Mission erklärt (Infografik)]
Insbesondere die Stardust-Mission hat viel dazu beigetragen, unser Wissen über die Zusammensetzung von Kometen zu erweitern. Die Kometenstaubproben, die es auf die Erde zurückgebracht hat, werden die Wissenschaftler trotz ihrer begrenzten Masse noch viele Jahrzehnte beschäftigen. Wir werden in Kapitel 7 mehr über diese Mission und die darin gesammelten wertvollen Proben erfahren. Glücklicherweise gibt es zukünftige Pläne für das Sammeln von Steinen aus dem Weltraum, wobei einige Missionen bereits auf dem Weg sind und andere auf ihre Finanzierung warten. Diese Missionen beinhalten Besuche bei Asteroiden, dem Mond und dem Mars, und obwohl sie alle riskante Unternehmungen sind, ohne dass garantiert wird, dass sie ihre Ziele erreichen, ist es gut zu wissen, dass Hoffnung auf die Rückgabe von Proben aus dem Weltraum für erdbasierte Analysen besteht in der Zukunft.
Die Ankunft des Weltraums rockt auf der Erde
Glücklicherweise stellt sich heraus, dass es einen anderen Weg gibt, Proben von Weltraumgesteinen zu erhalten, und es geht nicht einmal darum, die sicheren Grenzen der Erde zu verlassen. Dies liegt daran, dass Weltraumgesteine die ganze Zeit auf natürliche Weise als Meteoriten auf die Erde fallen. Tatsächlich fallen jedes Jahr etwa 40.000 bis 80.000 Tonnen Weltraumgesteine auf unseren Planeten. Diese Freiraumproben können mit kosmischen Kindereiern verglichen werden - sie sind voller himmlischer Preise und Informationen über unser Sonnensystem. Meteoriten können Proben von Asteroiden, Kometen und anderen Planeten enthalten, von denen die meisten noch nicht von Raumfahrzeugen erfasst wurden.
Von den Tausenden Tonnen Weltraumgestein, die jedes Jahr auf der Erde ankommen, sind die meisten recht klein, meist staubgroß, von denen wir in Kapitel 4 mehr erfahren werden, aber einige einzelne Gesteine können ziemlich groß sein. Einige der größten steinigen Meteoriten, die auf der Erde ankommen, haben ein Gewicht von bis zu 60 Tonnen, was ungefähr fünf Doppeldeckerbussen entspricht. Meteoriten können von überall im Weltraum stammen, aber es handelt sich in der Regel um Gesteine von Asteroiden, die auf der Erde am häufigsten als kieselgroße Teile vorkommen, obwohl auch Kometen- und Planetenstücke auftreten können. Asteroidenbrocken können in Richtung Erde rasen, nachdem sie im Weltraum von ihrem größeren Eltern-Asteroiden abgebrochen sind, häufig bei Kollisionen mit anderen Weltraumobjekten, was dazu führen kann, dass sie vollständig auseinander brechen oder kleine Teile von ihren Oberflächen gestoßen werden. Wenn sich diese kleinen Asteroidenproben im Weltraum von ihrem Muttergestein gelöst haben, werden sie Meteroide genannt und können Hunderte, Tausende, vielleicht sogar Millionen von Jahren durch den Weltraum reisen, bis sie schließlich mit einem Mond, einem Planeten oder der Sonne kollidieren. Wenn der Stein in die Atmosphäre eines anderen Planeten gelangt, wird er zu einem Meteor. Wenn diese Teile die Erdoberfläche oder die Oberfläche eines anderen Planeten oder Mondes erreichen, werden sie zu Meteoriten. Es ist nichts Magisches an einem ankommenden Weltraumgestein, das sich in einen Meteoriten verwandelt. Es ist einfach ein Name, den das Gestein erhält, wenn es an der Oberfläche des Körpers, auf den es trifft, stationär wird. [Meteor Storms: Wie übergroße Displays von 'Shooting Stars' funktionieren (Infografiken)]
Wenn all diese Weltraumgesteine auf natürliche Weise kostenlos auf der Erde ankommen, fragen Sie sich vielleicht, warum sich Wissenschaftler die Mühe machen, den Weltraum zu besuchen, um überhaupt eine Probenahme zu versuchen. Trotz der Tatsache, dass die auf die Erde fallenden Gesteine eine viel größere Anzahl von Objekten des Sonnensystems abtasten, als Menschen in vielen Lebenszeiten besuchen können, sind diese Proben tendenziell auf diejenigen ausgerichtet, die die harten Auswirkungen des atmosphärischen Eintritts am besten überleben können. Das Problem entsteht aufgrund der extremen Temperatur- und Druckänderungen, die ein Gestein oder ein Objekt während des atmosphärischen Eintritts vom Weltraum zur Erde erfährt. Diese Schwankungen sind groß genug, um ein Gestein in vielen Fällen vollständig auszulöschen.
Temperaturänderungen während des Eintritts in die Atmosphäre treten als direkte Folge der hohen Eingangsgeschwindigkeit des Objekts auf, die zwischen 10 km / s und 70 km / s liegen kann. Das Problem für den ankommenden Weltraumfelsen beim Reisen mit diesen Überschallgeschwindigkeiten ist, dass sich die Atmosphäre nicht schnell genug aus dem Weg räumen kann. Ein solcher Effekt fehlt, wenn sich ein Gestein durch den Weltraum bewegt, einfach weil der Weltraum ein Vakuum ist und daher zu wenige Moleküle vorhanden sind, um ineinander zu stoßen. Ein Gestein, das sich durch eine Atmosphäre bewegt, hat einen Buffeting- und Kompressionseffekt auf die Moleküle, auf die es trifft, und bewirkt, dass sie sich stapeln und in ihre Atome zerlegen. Diese Atome ionisieren, um eine Hülle aus weißglühendem Plasma zu erzeugen, die auf extrem hohe Temperaturen (bis zu 20.000 ° C) erhitzt wird und das Weltraumgestein umhüllt, wodurch es überhitzt wird. Das Ergebnis ist, dass der Stein in der Atmosphäre zu brennen und zu glühen scheint. Was wir je nach Größe einen Feuerball oder einen Sternschnuppen nennen könnten.
Die Auswirkungen dieses Prozesses bewirken eine bemerkenswerte physikalische 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 Fusionskruste, die sich entwickelt, wenn das Gestein die untere Atmosphäre durchdringt und durch Reibung mit der Luft verlangsamt und erwärmt wird. Der äußere Teil des Gesteins beginnt zu schmelzen und das sich bildende Gemisch aus Flüssigkeit und Gas wird von der Rückseite des Meteoriten weggefegt und nimmt die Wärme mit. Während dieser Prozess kontinuierlich ist und bedeutet, dass die Wärme nicht in das Gestein eindringen kann (und somit wie ein Hitzeschild wirkt), verfestigt sich der geschmolzene „Hitzeschild“, wenn die Temperatur schließlich sinkt, wenn die letzte verbleibende Flüssigkeit an der Oberfläche des Gesteins abkühlt, um die Fusion zu bilden Kruste. Die resultierende dunkle, oft glänzende Rinde auf Meteoriten ist ein charakteristisches Merkmal, das häufig verwendet werden kann, um sie zu identifizieren und von terrestrischen Gesteinen zu unterscheiden. Die Bildung der Fusionskruste schützt die inneren Teile des Meteoriten vor den schlimmsten Auswirkungen der Hitze und bewahrt die Zusammensetzung des Asteroiden, Kometen oder Planeten, von dem er stammt. Obwohl Meteoriten ihren Eltern sehr ähnlich sind, stimmen sie nicht genau überein. Bei der Bildung der Schmelzkruste verliert das Gestein einige seiner flüchtigeren Bestandteile, wenn sie mit den extremen Temperaturänderungen in den äußeren Gesteinsschichten abgekocht werden. Die einzige Möglichkeit, eine „perfekte“ Probe zu erhalten, besteht darin, eine direkt von einem Weltraumobjekt zu sammeln und in einem Raumschiff zurückzugeben. Da Meteoriten jedoch freie Proben aus dem Weltraum sind und sicherlich zahlreicher als Proben, die von Weltraummissionen zurückgegeben wurden, bieten sie Wissenschaftlern eine großartige Gelegenheit, herauszufinden, woraus Asteroiden, Kometen und sogar andere Planeten wirklich bestehen. Aus diesem Grund werden sie auf der Erde intensiv untersucht. [6 Wissenswertes über Comet Pan-STARRS]
Trotz der Bildung einer Fusionskruste können die Auswirkungen des atmosphärischen Eintritts ziemlich hart und zerstörerisch sein. Es ist weniger wahrscheinlich, dass Gesteine mit geringerer Druckfestigkeit oder geringerer Druckfestigkeit die Erfahrung überleben. Wenn ein Objekt die Verzögerung durch die Atmosphäre überlebt, muss seine Druckfestigkeit höher 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 der Mars beispielsweise eine dünnere Atmosphäre als die Erde, die eingehende Objekte nicht so stark verlangsamt, und erklärt, warum Raumfahrtingenieure sehr sorgfältig über die Landung von Raumfahrzeugen auf der Oberfläche des roten Planeten nachdenken müssen, da ihre Verzögerungssysteme dies nicht können auf der Erde vorgetestet werden.
Die Druckfestigkeit eines Gesteins wird durch seine Zusammensetzung gesteuert: seinen Anteil an Gesteinsmineralien, Metallen, kohlenstoffhaltigem Material, flüchtigen Phasen, die Menge des Porenraums und wie gut seine Bestandteile zusammengepackt sind. Beispielsweise überleben winterharte Weltraumgesteine wie die der eisenreichen Asteroiden die extremen Temperatur- und Druckänderungen, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit durch die Erdatmosphäre rasen. Die steinigen Meteoriten sind auch ziemlich robust, selbst wenn sie wenig oder kein Eisen enthalten. Obwohl Eisen stark ist, können Gesteinsmineralien selbst sehr gut gebunden werden, um auch ein zähes Stück Gestein zu erzeugen. Die Meteoriten, die den Eintritt in die Atmosphäre mit geringerer Wahrscheinlichkeit intakt überleben, enthalten einen höheren Anteil an flüchtigen Stoffen, Porenraum, kohlenstoffhaltigen Phasen und sogenannten hydratisierten Mineralien - solche, die Wasser in ihre Wachstumsstruktur aufgenommen haben. Solche Phasen sind in den als kohlenstoffhaltige Chondriten bekannten Meteoriten und auch in den Kometen häufig anzutreffen. Diese Objekte sind daher empfindlicher gegenüber den Auswirkungen der Erwärmung und können den aerodynamischen Kräften, die sie auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre erfahren, nicht standhalten. In einigen Fällen handelt es sich lediglich um eine lose verfestigte Handvoll flauschigen Schnees mit etwas eingemischtem Schmutz. Selbst wenn Sie einen Schneeball aus einem solchen Materialmix werfen, können Sie erwarten, dass er sich in der Luft auflöst. Dies zeigt, warum es im Allgemeinen unwahrscheinlich ist, dass eine große Probe eines Kometen den harten Druck und die Erwärmungseffekte des atmosphärischen Eintritts überlebt, ohne zu schmelzen, zu explodieren oder in sehr kleine Stücke zu zerfallen. Trotz der großen Sammlung von Meteoriten auf der Erde sind sich die Wissenschaftler aufgrund der extrem fragilen Strukturen, die sie voraussichtlich haben, immer noch nicht sicher, ob sie einen großen Meteoriten speziell von einem Kometen gefunden haben. Das Ergebnis all dessen ist, dass einige Weltraumgesteine als Meteoriten auf der Erde überrepräsentiert sind, einfach weil ihre Zusammensetzung den Auswirkungen des atmosphärischen Eintritts besser standhält.
Auszug aus dem Fang von Sternenstaub: Kometen, Asteroiden und die Geburt des Sonnensystems von Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Herausgegeben von Bloomsbury Sigma, einem Abdruck von Bloomsbury Publishing. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung.
