ดักจับละอองดาว: การสำรวจดาวหางและดาวเคราะห์น้อยอย่างครอบคลุม

Catching Stardust หนังสือเล่มใหม่ของ Natalie Starkey สำรวจความสัมพันธ์ของเรากับดาวหางและดาวเคราะห์น้อย (เครดิตรูปภาพ: Bloomsbury Sigma)





นาตาลี สตาร์คีย์มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการวิจัยด้านวิทยาศาสตร์อวกาศมานานกว่า 10 ปี เธอเคยมีส่วนร่วมในภารกิจอวกาศเพื่อส่งคืนตัวอย่าง เช่น NASA Stardust และ JAXA Hayabusa และเธอได้รับเชิญให้เป็นผู้ร่วมวิจัยในทีมเครื่องมือสำหรับภารกิจดาวหาง ESA Rosetta ที่ก้าวล้ำ

หนังสือเล่มใหม่ของเธอ ' จับละอองดาว ' ตรวจสอบสิ่งที่เราค้นพบเกี่ยวกับดาวหางและดาวเคราะห์น้อย — เราเรียนรู้เกี่ยวกับพวกมันอย่างไร และหินที่ปกคลุมไปด้วยฝุ่นและน้ำแข็งต้องแบ่งปันเกี่ยวกับต้นกำเนิดของระบบสุริยะอย่างไร อ่าน Q&A กับ Starkey เกี่ยวกับหนังสือเล่มใหม่ของเธอ ที่นี่ .

ด้านล่างนี้เป็นข้อความที่ตัดตอนมาจากบทที่ 3 ของ 'จับละอองดาว' [ การเผชิญหน้าอย่างใกล้ชิดที่สุดของประเภทดาวหาง ]



ดาวหางและดาวเคราะห์น้อยบนโลก

ตลอดระยะเวลา 50 ปีที่ผ่านมา เครื่องมือวัดในอวกาศมีความก้าวหน้ามากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากมนุษย์ได้ไล่ตามวัตถุต่างๆ มากมายในระบบสุริยะของเราเพื่อสร้างภาพ ตรวจวัด และสุ่มตัวอย่าง มนุษย์ประสบความสำเร็จในการวางยานสำรวจที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์บนดาวอังคารเพื่อสำรวจพื้นผิวของมัน เจาะและรวบรวมตัวอย่างเพื่อวิเคราะห์บนเรือบรรทุกเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนได้ถูกส่งไปยังอวกาศในการเดินทางนานนับทศวรรษเพื่อไล่ตามและลงจอดบนดาวหางที่เร่งความเร็วเพื่อทำการวิเคราะห์หิน น้ำแข็ง และก๊าซของมัน และนี่เป็นเพียงชื่อไฮไลท์บางส่วนล่าสุดของการสำรวจอวกาศ อย่างไรก็ตาม แม้จะมีความก้าวหน้าและความสำเร็จอันน่าทึ่งเหล่านี้ แต่เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุดและควบคุมได้ง่ายที่สุดยังคงมีอยู่บนโลก ปัญหาคือเครื่องมือ Earth เหล่านี้ไม่สามารถส่งขึ้นสู่อวกาศได้ง่ายมาก - หนักเกินไปและไวต่อการปล่อยจรวดและพวกเขาต้องการสภาวะที่ใกล้สมบูรณ์แบบเพื่อให้ทำงานได้อย่างแม่นยำและแม่นยำ สภาพแวดล้อมในอวกาศไม่เป็นมิตร เนื่องจากอุณหภูมิและความดันสูงเกินไป สภาพที่ไม่เหมาะกับเครื่องมือในห้องปฏิบัติการที่ละเอียดอ่อนและบางครั้งเจ้าอารมณ์

ผลที่ได้คือมักมีข้อดีหลายประการในการนำตัวอย่างหินอวกาศกลับมายังโลกเพื่อการวิเคราะห์ที่รอบคอบ รอบคอบ และแม่นยำ แทนที่จะพยายามส่งเครื่องมือห้องปฏิบัติการขั้นสูงขึ้นสู่อวกาศ อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญคือการรวบรวมหินในอวกาศและนำพวกมันกลับมายังโลกอย่างปลอดภัยก็ไม่ใช่เรื่องง่ายเช่นกัน อันที่จริง ตัวอย่างการกลับมาจากอวกาศทำได้ไม่กี่ครั้ง: จากดวงจันทร์กับภารกิจ Apollo และ Luna ในปี 1970 จากดาวเคราะห์น้อย Itokawa กับภารกิจ Hayabusa และจากดาวหาง 81P/Wild2 ที่มีภารกิจ Stardust แม้ว่าหินดวงจันทร์หลายร้อยกิโลกรัมจะถูกส่งกลับคืนสู่พื้นโลกแล้ว แต่ภารกิจฮายาบูสะและสตาร์ดัสต์กลับคืนตัวอย่างหินจำนวนเล็กน้อยเท่านั้น — ชิ้นส่วนขนาดเท่าฝุ่นได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม ตัวอย่างขนาดเล็กย่อมดีกว่าไม่มีตัวอย่างใดๆ อย่างแน่นอน เนื่องจากแม้แต่หินก้อนเล็กๆ ก็สามารถเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลไว้ในโครงสร้างได้ ซึ่งเป็นความลับที่นักวิทยาศาสตร์สามารถปลดล็อกได้ด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่เชี่ยวชาญเป็นพิเศษบนโลก [ วิธีจับดาวเคราะห์น้อย: อธิบายภารกิจของ NASA (อินโฟกราฟิก) ]

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ภารกิจละอองดาว ประสบความสำเร็จอย่างมากในการเพิ่มพูนความรู้ของเราเกี่ยวกับองค์ประกอบของดาวหาง ตัวอย่างฝุ่นของดาวหางที่ส่งกลับมายังโลกจะทำให้นักวิทยาศาสตร์มีงานยุ่งเป็นเวลาหลายทศวรรษข้างหน้า แม้ว่าจะมีมวลจำกัดก็ตาม เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับภารกิจนี้และตัวอย่างอันล้ำค่าที่รวบรวมได้ในบทที่ 7 โชคดีที่มีแผนในอนาคตสำหรับการรวบรวมหินจากอวกาศ โดยมีภารกิจบางส่วนอยู่ในระหว่างดำเนินการและบางภารกิจกำลังรอเงินทุนอยู่ ภารกิจเหล่านี้รวมถึงการไปเยือนดาวเคราะห์น้อย ดวงจันทร์ และดาวอังคาร และแม้ว่าพวกมันอาจเสี่ยงภัยโดยไม่มีการรับประกันว่าพวกเขาจะบรรลุเป้าหมาย แต่ก็เป็นการดีที่จะรู้ว่ายังมีความหวังสำหรับการกลับมาของตัวอย่างจากอวกาศสำหรับการวิเคราะห์บนดิน ในอนาคต.



การมาถึงของหินอวกาศบนโลก

โชคดีที่ปรากฎว่ามีอีกวิธีหนึ่งในการเก็บตัวอย่างหินอวกาศ และไม่เกี่ยวข้องกับการออกจากขอบเขตที่ปลอดภัยของโลกด้วยซ้ำ เนื่องจากหินอวกาศตกลงสู่พื้นโลกอย่างเป็นธรรมชาติเหมือนอุกกาบาตตลอดเวลา อันที่จริง หินอวกาศประมาณ 40,000 ถึง 80,000 ตันตกลงมาบนโลกของเราในแต่ละปี ตัวอย่างพื้นที่ว่างเหล่านี้เปรียบได้กับ Kinder Eggs ของจักรวาล ซึ่งเต็มไปด้วยรางวัลจากท้องฟ้า ข้อมูลเกี่ยวกับระบบสุริยะของเรา อุกกาบาตอาจรวมถึงตัวอย่างดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่ยังไม่ได้สุ่มตัวอย่างโดยยานอวกาศ

จากหินอวกาศหลายพันตันที่มาถึงโลกในแต่ละปี ส่วนใหญ่ค่อนข้างเล็ก ส่วนใหญ่เป็นขนาดฝุ่น ซึ่งเราจะเรียนรู้เพิ่มเติมในบทที่ 4 แต่หินแต่ละก้อนอาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่ อุกกาบาตหินก้อนใหญ่ที่สุดบางลูกที่จะมาถึงโลกมีน้ำหนักมากถึง 60 ตัน ซึ่งพอๆ กับรถบัสสองชั้นห้าคัน อุกกาบาตสามารถเกิดขึ้นได้จากทุกที่ในอวกาศ แต่มีแนวโน้มว่าจะเป็นหินจากดาวเคราะห์น้อยที่พบได้ทั่วไปบนโลกในรูปแบบก้อนกรวด แม้ว่าชิ้นส่วนของดาวหางและดาวเคราะห์ก็สามารถปรากฏขึ้นได้เช่นกัน ชิ้นส่วนของดาวเคราะห์น้อยสามารถพุ่งเข้าหาโลกได้หลังจากที่พวกมันแยกตัวออกจากดาวเคราะห์น้อยแม่ที่ใหญ่กว่าในอวกาศ บ่อยครั้งระหว่างการชนกับวัตถุอวกาศอื่น ๆ ซึ่งอาจทำให้พวกมันแตกออกเป็นชิ้น ๆ หรือทำให้ชิ้นส่วนขนาดเล็กกระเด็นออกจากพื้นผิวของพวกมัน ในอวกาศ เมื่อตัวอย่างดาวเคราะห์น้อยชิ้นเล็กๆ เหล่านี้แยกตัวออกจากหินต้นกำเนิด พวกมันจะถูกเรียกว่าเมตรออยด์ และพวกมันสามารถใช้เวลาหลายร้อย หลายพัน หรืออาจถึงล้านปีในการท่องอวกาศจนกระทั่งชนกับดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ หรือดวงอาทิตย์ในที่สุด เมื่อหินเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงอื่น มันจะกลายเป็นอุกกาบาต และหากและเมื่อชิ้นส่วนเหล่านี้ไปถึงพื้นผิวโลก หรือพื้นผิวของดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์อื่น พวกมันก็จะกลายเป็นอุกกาบาต ไม่มีอะไรมหัศจรรย์เกี่ยวกับหินอวกาศที่เข้ามาที่กลายเป็นอุกกาบาต มันเป็นเพียงชื่อที่หินได้รับเมื่อมันหยุดนิ่งอยู่ที่พื้นผิวของร่างกายที่มันมาบรรจบกัน [ พายุดาวตก: การแสดง 'ดาวยิง' ขนาดใหญ่เพียงใด (อินโฟกราฟิก) ]

หากหินอวกาศทั้งหมดเหล่านี้มาถึงโลกโดยธรรมชาติฟรี คุณอาจสงสัยว่าทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงต้องลำบากในการไปเยือนอวกาศเพื่อลองสุ่มตัวอย่างเลย แม้ว่าหินที่ตกลงสู่พื้นโลกจะสุ่มตัวอย่างวัตถุในระบบสุริยะในขอบเขตที่กว้างกว่าที่มนุษย์จะไปเยือนได้ในช่วงหลายชั่วอายุคน แต่ตัวอย่างเหล่านี้มักมีอคติต่อวัตถุที่สามารถอยู่รอดได้ดีที่สุดจากผลกระทบที่รุนแรงจากการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ปัญหานี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันสุดขั้วที่เกิดขึ้นจากหินหรือวัตถุใดๆ ในระหว่างการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจากอวกาศสู่โลก การแปรผันที่มีขนาดใหญ่พอที่จะทำลายหินโดยสิ้นเชิงในหลายกรณี



การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในระหว่างการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศเกิดขึ้นจากความเร็วของวัตถุโดยตรง ซึ่งสามารถอยู่ที่ประมาณ 10 กม./วินาที ถึง 70 กม./วินาที (25,000 ไมล์ต่อชั่วโมงถึง 150,000 ไมล์ต่อชั่วโมง) ปัญหาของหินอวกาศที่เข้ามาเมื่อเดินทางด้วยความเร็วที่มีความเร็วเหนือเสียงเหล่านี้คือชั้นบรรยากาศไม่สามารถเคลื่อนตัวออกนอกเส้นทางได้เร็วพอ ผลกระทบดังกล่าวจะหายไปเมื่อหินเดินทางผ่านอวกาศ เพียงเพราะอวกาศเป็นสุญญากาศ จึงมีโมเลกุลน้อยเกินไปที่จะกระแทกกัน หินที่เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศมีผลกระทบจากการกระแทกและบีบอัดโมเลกุลที่มันพบ ทำให้พวกมันกองรวมกันและแยกตัวออกเป็นอะตอมของส่วนประกอบ อะตอมเหล่านี้แตกตัวเป็นไอออนเพื่อผลิตพลาสมาหลอดไส้ที่ถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิสูงมาก ถึง 20,000 องศาเซลเซียส (36,032 องศาฟาเรนไฮต์) และห่อหุ้มหินอวกาศ ทำให้มันร้อนจัด ผลที่ได้คือหินดูเหมือนจะลุกไหม้และเรืองแสงในชั้นบรรยากาศ สิ่งที่เราอาจเรียกว่าลูกไฟหรือดาวตก ขึ้นอยู่กับขนาดของมัน

ผลกระทบของกระบวนการนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่น่าทึ่งกับหินที่เข้ามา ซึ่งทำให้เราสามารถระบุได้ง่ายขึ้นว่าเมื่อใดที่มันจะกลายเป็นอุกกาบาตบนพื้นผิวโลก นั่นคือการก่อตัวของเปลือกโลกฟิวชั่นซึ่งพัฒนาขึ้นเมื่อหินแทรกซึมชั้นบรรยากาศด้านล่างและชะลอตัวลงและร้อนขึ้นจากการเสียดสีกับอากาศ ส่วนนอกของหินเริ่มละลายและส่วนผสมของของเหลวและก๊าซที่ก่อตัวขึ้นจะถูกพัดออกจากด้านหลังของอุกกาบาต นำความร้อนไปด้วย ในขณะที่กระบวนการนี้ดำเนินไปอย่างต่อเนื่องและหมายความว่าความร้อนไม่สามารถทะลุผ่านหินได้ (จึงทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความร้อน) เมื่ออุณหภูมิลดลงในที่สุด 'แผ่นบังความร้อน' ที่หลอมเหลวจะแข็งตัวเมื่อของเหลวที่เหลือสุดท้ายเย็นลงที่พื้นผิวของหินเพื่อก่อตัวเป็นฟิวชั่น เปลือก. เปลือกอุกกาบาตที่มืดและมักเป็นมันเงาเป็นลักษณะเด่นที่มักใช้เพื่อช่วยในการระบุและแยกความแตกต่างจากหินบนบก การก่อตัวของเปลือกโลกฟิวชั่นปกป้องชิ้นส่วนภายในของอุกกาบาตจากผลกระทบที่เลวร้ายที่สุดของความร้อนโดยคงองค์ประกอบของดาวเคราะห์น้อยแม่ดาวหางหรือดาวเคราะห์ที่กำเนิดขึ้น อย่างไรก็ตามแม้ว่าอุกกาบาตจะมีลักษณะคล้ายกับพ่อแม่อย่างใกล้ชิด แต่ก็ไม่ตรงกัน ในกระบวนการสร้างเปลือกโลกหลอมรวม หินจะสูญเสียส่วนประกอบที่มีความผันผวนมากกว่าบางส่วนเมื่อถูกต้มด้วยอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างสุดขั้วที่พบในชั้นนอกของหิน วิธีเดียวที่จะได้ตัวอย่างที่ 'สมบูรณ์แบบ' คือการรวบรวมตัวอย่างโดยตรงจากวัตถุอวกาศและส่งคืนในยานอวกาศ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอุกกาบาตเป็นเพียงตัวอย่างฟรีจากอวกาศ และแน่นอนว่ามีมากกว่าตัวอย่างที่ส่งกลับโดยภารกิจอวกาศ พวกมันจึงเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าแท้จริงแล้วดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง และแม้แต่ดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ นั้นทำมาจากอะไร พวกมันได้รับการศึกษาอย่างหนักบนโลกด้วยเหตุนี้ [ 6 เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับดาวหางแพน-สตาร์ส ]

แม้จะมีการก่อตัวของเปลือกโลกหลอมรวม แต่ผลกระทบของการเข้าชั้นบรรยากาศก็ค่อนข้างรุนแรงและเป็นอันตราย หินเหล่านั้นที่มีแรงอัดต่ำหรือแรงอัดต่ำ มีโอกาสน้อยที่จะเอาชีวิตรอดจากประสบการณ์นั้น ถ้าวัตถุรอดจากการชะลอตัวผ่านชั้นบรรยากาศ แรงอัดของวัตถุนั้นจะต้องมากกว่าแรงดันอากาศพลศาสตร์สูงสุดที่มันประสบ ความดันอากาศพลศาสตร์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาแน่นของบรรยากาศในท้องที่ ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าวัตถุใดที่ดาวเคราะห์ดวงใดเผชิญหน้ากัน ตัวอย่างเช่น ดาวอังคารมีชั้นบรรยากาศที่บางกว่าโลกซึ่งไม่ได้ทำให้วัตถุที่เข้ามาช้าลงมากนัก และอธิบายว่าทำไมวิศวกรอวกาศจึงต้องคิดให้รอบคอบเกี่ยวกับการลงจอดยานอวกาศบนพื้นผิวดาวเคราะห์สีแดง เนื่องจากระบบลดความเร็วของพวกมันไม่สามารถ ได้รับการทดสอบล่วงหน้าบนโลก

แรงอัดของหินถูกควบคุมโดยองค์ประกอบของหิน: สัดส่วนของแร่ธาตุหิน, โลหะ, วัสดุคาร์บอน, เฟสที่ระเหยได้, ปริมาณของรูพรุนและวัสดุที่เป็นส่วนประกอบรวมกันได้ดีเพียงใด ตัวอย่างเช่น หินอวกาศที่แข็งแกร่ง เช่น หินจากดาวเคราะห์น้อยที่อุดมด้วยธาตุเหล็ก มีแนวโน้มที่จะอยู่รอดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันอย่างสุดขั้ว เมื่อมันพุ่งทะยานผ่านชั้นบรรยากาศของโลกด้วยความเร็วสูง อุกกาบาตที่เต็มไปด้วยหินนั้นค่อนข้างแข็งแกร่ง แม้ว่าจะมีธาตุเหล็กเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยก็ตาม แม้ว่าธาตุเหล็กจะแข็งแกร่ง แต่แร่ธาตุจากหินก็สามารถเชื่อมประสานกันเพื่อสร้างหินที่แข็งแกร่งได้เช่นกัน อุกกาบาตที่มีโอกาสรอดชีวิตน้อยลงในชั้นบรรยากาศที่ไม่บุบสลายคืออุกกาบาตที่มีเปอร์เซ็นต์การระเหย พื้นที่รูพรุน เฟสคาร์บอน และแร่ธาตุที่เรียกว่าไฮเดรต ซึ่งกักเก็บน้ำไว้ในโครงสร้างการเจริญเติบโต ระยะดังกล่าวมีมากมายในอุกกาบาตที่เรียกว่า carbonaceous chondrites และดาวหางด้วย ดังนั้นวัตถุเหล่านี้จึงไวต่อผลกระทบของความร้อนมากกว่าและไม่สามารถทนต่อแรงแอโรไดนามิกที่สัมผัสได้ขณะเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศของโลก ในบางกรณี พวกมันไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าหิมะหนา ๆ ที่รวมกันอย่างหลวม ๆ ที่มีสิ่งสกปรกปนอยู่ แม้ว่าคุณจะโยนก้อนหิมะที่ทำจากวัสดุผสมกัน คุณอาจคาดหวังว่ามันจะสลายตัวไปในอากาศ นี่แสดงให้เห็นว่าเหตุใดตัวอย่างขนาดใหญ่ของดาวหางจึงถือว่าไม่น่าจะรอดจากแรงกดดันอันรุนแรงและผลกระทบจากความร้อนจากการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโดยไม่ละลาย ระเบิด หรือแตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย ดังนั้น แม้ว่าจะมีอุกกาบาตจำนวนมากบนโลก นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่แน่ใจว่าพวกเขาได้พบอุกกาบาตขนาดใหญ่จากดาวหางโดยเฉพาะ เนื่องจากโครงสร้างที่เปราะบางอย่างยิ่งที่พวกเขาคาดว่าจะมี ผลจากทั้งหมดนี้คือหินอวกาศบางส่วนถูกแสดงเป็นอุกกาบาตบนโลกมากเกินไปเพียงเพราะองค์ประกอบของมันทนต่อผลกระทบของการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้ดีกว่า

ตัดตอนมาจาก ดักจับละอองดาว: ดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย และการกำเนิดระบบสุริยะ โดย นาตาลี สตาร์คีย์ ลิขสิทธิ์ Natalie Starkey 2018 เผยแพร่โดย Bloomsbury Sigma สำนักพิมพ์ Bloomsbury พิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาต