Catching Stardust ، كتاب جديد لـ Natalie Starkey ، يستكشف علاقتنا بالمذنبات والكويكبات.
(الصورة: © Bloomsbury Sigma)
تشارك ناتالي ستاركي بنشاط في أبحاث علوم الفضاء لأكثر من 10 سنوات. لقد شاركت في بعثات الفضاء بالعودة إلى الفضاء ، مثل وكالة ناسا ستاردست و JAXA Hayabusa ، وتمت دعوتها لتكون محققة مشاركة في أحد فرق الأدوات لمهمة المذنب ESA Rosetta الرائدة.
يفحص كتابها الجديد "Catching Stardust" ما نكتشفه عن المذنبات والكويكبات - كيف نتعلم عنها وما يجب أن تشاركه الصخور الجليدية المتربة حول أصول النظام الشمسي. اقرأ سؤال وجواب مع ستاركي حول كتابها الجديد هنا.
يوجد أدناه مقتطف من الفصل 3 من "اصطياد ستاردست". [أفضل لقاءات قريبة من نوع المذنب]
المذنبات والكويكبات على الأرض
على مدار الخمسين عامًا الماضية ، أصبحت أجهزة الفضاء أكثر تقدمًا حيث تابع البشر عددًا متنوعًا من الأجسام المختلفة في نظامنا الشمسي لتصويرها وقياسها وأخذ عينات منها. نجح البشر في وضع مركبة متجولة تعمل بكامل طاقتها على كوكب المريخ للتجول فوق سطحه ، وحفر وجمع عينات لتحليل على متن شحنته من الأدوات العلمية. كما تم إرسال معمل علمي متطور إلى الفضاء في رحلة دامت عقدًا للحاق بهبوط المذنب والهبوط عليه لإجراء تحليلات للصخور والجليد والغازات. وهذا على سبيل المثال لا الحصر من أبرز المعالم البارزة لاستكشاف الفضاء. ومع ذلك ، على الرغم من هذه الإنجازات والإنجازات المدهشة ، فإن أفضل الأدوات العلمية وأفضلها سهولة التحكم موجودة على الأرض. تكمن المشكلة في أنه لا يمكن إرسال أدوات الأرض هذه إلى الفضاء بسهولة بالغة - فهي ثقيلة جدًا وحساسة بحيث لا يمكن إطلاقها على متن صاروخ وتحتاج إلى ظروف شبه مثالية لأداءها بدقة ودقة. بيئة الفضاء ليست مكانًا ودودًا ، حيث درجات الحرارة والضغط شديدة للغاية ، وهي ظروف غير مناسبة للأدوات المختبرية الدقيقة وأحيانًا المزاجية.
والنتيجة هي أنه غالبًا ما تكون هناك العديد من المزايا لإعادة عينات من الصخور الفضائية إلى الأرض لإجراء تحليل دقيق ومدروس ودقيق ، على عكس محاولة إطلاق أدوات مخبرية متقدمة في الفضاء. ومع ذلك ، فإن المشكلة الرئيسية هي أن جمع الصخور في الفضاء وإعادتها بأمان إلى الأرض ليست مهمة بسيطة أيضًا. في الواقع ، تم تحقيق عينة عودة من الفضاء عدة مرات فقط: من القمر مع مهمتي أبولو ولونا في السبعينيات ، ومن الكويكب إيتوكاوا مع مهمة هايابوسا ومن المذنب 81P / Wild2 مع مهمة ستاردست. على الرغم من أن مئات الكيلوغرامات من صخور القمر قد أعيدت إلى الأرض ، إلا أن مهمتي هايابوسا وستاردست أعادت فقط كميات دقيقة من عينة الصخور - شظايا بحجم الغبار لتكون دقيقة. ومع ذلك ، فإن العينات الصغيرة هي بالتأكيد أفضل من عدم وجود عينات ، حيث يمكن حتى للصخور الصغيرة الاحتفاظ بكمية هائلة من المعلومات في هياكلها - أسرار يمكن للعلماء فتحها باستخدام أدواتهم العلمية المتخصصة للغاية على الأرض. [كيفية اصطياد كويكب: شرح مهمة وكالة ناسا (إنفوغرافيك)]
حققت مهمة ستاردست ، على وجه الخصوص ، الكثير في تعزيز معرفتنا بتكوين المذنبات. إن عينات غبار المذنب التي أعادتها إلى الأرض ستبقي العلماء مشغولين لعدة عقود قادمة ، على الرغم من كتلتها المحدودة. سوف نتعلم المزيد عن هذه المهمة ، والعينات الثمينة التي جمعتها ، في الفصل 7. ولحسن الحظ ، هناك خطط مستقبلية لجمع الصخور من الفضاء ، مع بعض البعثات بالفعل في طريقها والبعض الآخر في انتظار التمويل. تتضمن هذه المهمات زيارات إلى الكويكبات والقمر والمريخ ، وبينما قد تكون جميعها محاولات محفوفة بالمخاطر دون ضمان أنها ستحقق أهدافها ، فمن الجيد أن تعرف أن هناك أملًا في إعادة عينات من الفضاء لإجراء تحليل قائم على الأرض فى المستقبل.
وصول صخور الفضاء على الأرض
لحسن الحظ ، اتضح أن هناك طريقة أخرى للحصول على عينات من صخور الفضاء ولا تتضمن حتى مغادرة الحدود الآمنة للأرض. وذلك لأن الصخور الفضائية تسقط بشكل طبيعي على الأرض كنيازك طوال الوقت. في الواقع ، يسقط على كوكبنا كل عام حوالي 40.000 إلى 80.000 طن من الصخور الفضائية. يمكن تشبيه عينات الفضاء الحر هذه ببيض كيندر الكوني - فهي مليئة بجوائز سماوية ، معلومات عن نظامنا الشمسي. يمكن أن تشمل النيازك عينات من الكويكبات والمذنبات والكواكب الأخرى ، ومعظمها لم يتم أخذ عينات منها بواسطة المركبات الفضائية حتى الآن.
من بين آلاف الأطنان من الصخور الفضائية التي تصل إلى الأرض كل عام ، فإن الغالبية صغيرة جدًا ، ومعظمها بحجم غبار ، والتي سنتعلم المزيد عنها في الفصل 4 ، ولكن بعض الصخور الفردية يمكن أن تكون كبيرة جدًا. يصل وزن بعض أكبر النيازك الحجرية التي تصل إلى الأرض إلى 60 طنًا ، وهو ما يعادل تقريبًا خمس حافلات ذات طابقين. يمكن أن تنشأ النيازك من أي مكان في الفضاء ، لكنها تميل إلى أن تكون صخورًا من الكويكبات الأكثر شيوعًا على الأرض كقطع بحجم حصاة ، على الرغم من أن قطع المذنبات والكواكب يمكن أن تظهر أيضًا. يمكن أن ينتهي الأمر بكميات كبيرة من الكويكبات متجهة نحو الأرض بعد أن تنفصل عن الكويكب الأكبر في الفضاء ، غالبًا أثناء التصادم مع الأجسام الفضائية الأخرى ، مما قد يتسبب في تحطمها تمامًا أو قطع قطع صغيرة من أسطحها. في الفضاء ، بمجرد أن تنفصل هذه العينات الصغيرة من الكويكبات عن صخرها الأصلي ، يطلق عليها meteroids ويمكنها قضاء مئات أو آلاف ، وربما حتى ملايين السنين في السفر عبر الفضاء حتى تصطدم في النهاية بقمر أو كوكب أو الشمس. عندما تدخل الصخور الغلاف الجوي لكوكب آخر ، يصبح نيزكًا ، وعندما تصل هذه القطع إلى سطح الأرض ، أو سطح كوكب آخر أو قمر آخر ، فإنها تصبح نيازك. لا يوجد شيء سحري حول تحول صخرة فضائية واردة إلى نيزك ، إنه ببساطة اسم تتلقاه الصخرة عندما تصبح ثابتة على سطح الجسم الذي تلتقي به. [نيازك العواصف: كيف تعرض عروض عمل Shooting Stars الضخمة (الرسوم البيانية)]
إذا وصلت كل هذه الصخور الفضائية بشكل طبيعي إلى الأرض مجانًا ، فقد تتساءل عن سبب قلق العلماء من الذهاب إلى مشكلة زيارة الفضاء لمحاولة أخذ العينات على الإطلاق. على الرغم من حقيقة أن الصخور التي تسقط على الأرض تختبر نطاقًا أوسع بكثير من كائنات النظام الشمسي أكثر مما يمكن للبشر زيارته في العديد من الأعمار ، تميل هذه العينات إلى التحيز تجاه تلك التي يمكن أن تتحمل أفضل الآثار القاسية لدخول الغلاف الجوي. تنشأ المشكلة بسبب درجات الحرارة الشديدة وتغيرات الضغط التي تتعرض لها صخرة ، أو أي جسم ، أثناء دخول الغلاف الجوي من الفضاء إلى الأرض ، وهي اختلافات كبيرة بما يكفي لطمس صخرة بالكامل في كثير من الحالات.
تحدث تغيرات درجة الحرارة أثناء دخول الغلاف الجوي كنتيجة مباشرة للسرعة العالية الواردة للجسم ، والتي يمكن أن تكون في أي مكان من حوالي 10 كم / ثانية إلى 70 كم / ثانية (25000 ميل في الساعة إلى 150،000 ميل في الساعة). مشكلة صخرة الفضاء القادمة عند السفر بسرعات تفوق سرعة الصوت هي أن الغلاف الجوي لا يمكنه التحرك بعيدًا عن طريقه بسرعة كافية. إن مثل هذا التأثير غائب عندما تنتقل الصخور عبر الفضاء ، وذلك ببساطة لأن الفضاء فراغ ، لذا هناك عدد قليل جدًا من الجزيئات الموجودة لتطرق بعضها البعض. إن الصخر الذي يسافر عبر الغلاف الجوي له تأثير البوفيه والضغط على الجزيئات التي يواجهها ، مما يجعلها تتراكم وتتفكك في ذرات مكوناتها. هذه الذرات مؤينة لإنتاج كفن من البلازما المتوهجة التي يتم تسخينها إلى درجات حرارة عالية للغاية - تصل إلى 20000 درجة مئوية (36،032 درجة فهرنهايت) - وتغلف صخرة الفضاء ، مما يجعلها ساخنة للغاية. والنتيجة هي أن الصخرة تحترق وتتوهج في الغلاف الجوي. ما يمكن أن نسميه كرة نارية أو نجم إطلاق نار ، حسب حجمها.
تحدث آثار هذه العملية تغييرًا ماديًا ملحوظًا في الصخور الواردة ، وهو الأمر الذي يجعل من السهل علينا تحديد متى يصبح نيزكًا على سطح الأرض. أي أن تكوين قشرة اندماجية تتطور عندما تخترق الصخور الغلاف الجوي السفلي وتتباطأ وتسخن بسبب الاحتكاك مع الهواء. يبدأ الجزء الخارجي من الصخور في الذوبان ويتفكك خليط السائل والغاز الذي يتشكل من الجزء الخلفي من النيزك ، مع أخذ الحرارة معه. في حين أن هذه العملية مستمرة وتعني أن الحرارة لا يمكن أن تخترق الصخور (وبالتالي تعمل كدرع حراري) ، عندما تنخفض درجة الحرارة أخيرًا ، يتجمد "الدرع الحراري" المنصهر مع تبريد آخر سائل متبقي على سطح الصخور لتشكيل الاندماج قشرة. إن قشرة النيازك القاتمة ، اللامعة في كثير من الأحيان ، هي سمة مميزة يمكن استخدامها في كثير من الأحيان للمساعدة في التعرف عليها وإخبارها بصرف النظر عن الصخور الأرضية. يحمي تكوين القشرة الاندماجية الأجزاء الداخلية من النيزك من أسوأ آثار الحرارة ، ويحافظ على تكوين الكويكب الأصلي أو المذنب أو الكوكب الذي نشأ منه. ومع ذلك ، على الرغم من أن النيازك تشبه والديها بشكل وثيق ، إلا أنها ليست مطابقة تامة. في عملية تكوين قشرة الانصهار ، تفقد الصخور بعض مكوناتها الأكثر تقلبًا حيث يتم غليها مع التغيرات الشديدة في درجة الحرارة التي تشهدها الطبقات الخارجية للصخور. الطريقة الوحيدة للحصول على عينة "مثالية" هي جمع عينة مباشرة من جسم فضائي وإعادتها في مركبة فضائية. ومع ذلك ، نظرًا لأن النيازك هي عينات مجانية من الفضاء ، وبالتأكيد أكثر وفرة من العينات التي أعادتها البعثات الفضائية ، فإنها تقدم للعلماء فرصة رائعة لمعرفة ما هي الكويكبات والمذنبات وحتى الكواكب الأخرى ، التي تم صنعها حقًا. يتم دراستها بشكل مكثف على الأرض لهذا السبب. [6 حقائق ممتعة عن المذنب عموم النجوم]
على الرغم من تشكيل قشرة صهر ، فإن آثار دخول الغلاف الجوي يمكن أن تكون قاسية ومدمرة. تلك الصخور ذات قوة ضغط أقل أو سحق أقل ، أقل عرضة للبقاء على قيد الحياة من التجربة ؛ إذا نجا جسم ما من التباطؤ في الغلاف الجوي ، فيجب أن تكون قوته الانضغاطية أكثر من الحد الأقصى للضغط الديناميكي الهوائي الذي يواجهه. يتناسب الضغط الديناميكي الهوائي بشكل مباشر مع الكثافة المحلية للغلاف الجوي ، والذي يعتمد على الكوكب الذي يواجهه الجسم. لذا ، على سبيل المثال ، للمريخ جو أرق من الأرض لا يعمل على إبطاء الأجسام الواردة بنفس القدر ويشرح لماذا يجب على مهندسي الفضاء التفكير بعناية شديدة في هبوط المركبات الفضائية على سطح الكوكب الأحمر ، نظرًا لأن أنظمة التباطؤ الخاصة بهم لا تستطيع يتم اختبارها مسبقًا على الأرض.
يتم التحكم في قوة ضغط الصخور من خلال تكوينها: نسبة المعادن الصخرية والمعادن والمواد الكربونية والمراحل المتطايرة وكمية مساحة المسام ومدى تعبئة المواد المكونة لها معًا. على سبيل المثال ، تميل الصخور الفضائية الصلبة ، مثل تلك الموجودة في الكويكبات الغنية بالحديد ، إلى النجاة من التغيرات الشديدة في درجة الحرارة والضغط لأنها تتأرجح بسرعة كبيرة عبر الغلاف الجوي للأرض. النيازك الحجرية قوية جدًا أيضًا ، حتى عندما تحتوي على القليل من الحديد أو لا تحتوي على الحديد. على الرغم من أن الحديد قوي ، إلا أن المعادن الصخرية نفسها يمكن ربطها جيدًا لإنشاء قطعة صخرية قوية أيضًا. النيازك الأقل احتمالية للبقاء على قيد الحياة في الغلاف الجوي سليمة هي تلك التي تحتوي على نسبة أعلى من المواد المتطايرة ، ومسام المسام ، والمراحل الكربونية وما يسمى بالمعادن المائية - تلك التي استوعبت الماء في هيكل نموها. هذه المراحل في وفرة عالية في النيازك المعروفة باسم الغضروف الكربوني وكذلك المذنبات. وبالتالي ، فإن هذه الأجسام أكثر حساسية لتأثيرات التسخين ولا يمكنها الصمود أمام القوى الديناميكية الهوائية التي تواجهها أثناء انتقالها عبر الغلاف الجوي للأرض. في بعض الحالات ، ليست أكثر من حفنة متجمعة من الثلج الرقيق مع بعض الأوساخ المخلوطة. حتى إذا قمت برمي كرة ثلج مصنوعة من مثل هذا المزيج من المواد ، قد تتوقع أن تتحلل في الهواء. يوضح هذا سبب اعتبار عينة كبيرة من المذنب بشكل عام من غير المحتمل أن تتحمل الضغط الشديد وتأثيرات التسخين لدخول الغلاف الجوي دون أن تذوب أو تنفجر أو تنكسر إلى قطع صغيرة جدًا. على هذا النحو ، على الرغم من المجموعات الكبيرة من النيازك على الأرض ، لا يزال العلماء غير متأكدين من أنهم وجدوا نيزكًا كبيرًا على وجه التحديد من مذنب بسبب الهياكل الهشة للغاية التي يتوقع أن يكون لديهم. نتيجة كل هذا هو أن بعض الصخور الفضائية ممثلة بشكل مفرط على أنها نيازك على الأرض لمجرد أن تركيباتها تتحمل آثار دخول الغلاف الجوي بشكل أفضل.
مقتطفات من اصطياد ستاردست: المذنبات والكويكبات وولادة النظام الشمسي بقلم ناتالي ستاركي. حقوق الطبع والنشر © ناتالي ستاركي 2018. تم النشر بواسطة Bloomsbury Sigma ، بصمة نشر Bloomsbury. أعيد طبعها بإذن.
