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捕捉星尘:彗星和小行星的综合探索

  Natalie Starkey十多年来一直积极参与空间科学研究。她曾参与太空飞船返回太空任务,如NASA Stardust和JAXA Hayabusa,并被邀请担任其中一个仪表小组的共同调查员,负责开创性的ESA Rosetta彗星任务。她的新书“ 捕捉星尘 ”探讨了我们发现的关于彗星和小行星的信息 - 我们如何了解它们以及尘埃落定的冰岩必须分享的有关太阳系起源的内容。阅读关于她的新书Q&A与斯塔基 在这里。以下是“捕捉星尘”第3章的摘录。[ Comet Kind的最佳亲密接触 ] 广告彗星和地球上的小行星在过去50年中,随着人类在太阳系中追求各种不同的物体进行成像,测量和采样,空间仪器变得越来越先进。人类已经成功地在火星上放置了一个功能完备的漫游车,在其表面上漫游,钻探和收集样本,以便在船上分析其科学仪器的货物。一个复杂的科学实验室也已经被送入太空,经历了长达十年的旅程,以赶上并降落在一颗超速彗星上,对其岩石,冰和气体进行分析。这只是一些最近的太空探索亮点。然而,尽管有这些进步和惊人的成就,地球上仍然存在最好和最容易控制的科学仪器。问题是这些地球仪器可以 它很容易被送入太空 - 它们太重而且太敏感而无法在火箭上发射,它们需要近乎完美的条件才能精确和准确地运行。空间环境不是一个友好的地方,温度和压力极端极端,条件不适合精致的,有时甚至是气质的实验室仪器。 结果是,将太空岩石样本带回地球进行仔细,考虑和精确的分析往往有许多优点,而不是试图将先进的实验室仪器发射到太空。然而,主要的问题是在太空中收集岩石并将它们安全地带回地球也不是一件简单的事。实际上,从太空返回的样本只实现了几次:从20世纪70年代的月球与阿波罗和月神任务,从小行星Itokawa与隼鸟任务和彗星81P / Wild2与星尘任务。尽管数百公斤的月球岩石已经返回地球,但Hayabusa和Stardust的任务只返回了少量的岩石样本 - 确切地说是尘埃大小的碎片。不过,微小的样品肯定比没有样品好,因为即使是小石头也可以在它们的结构中保存大量信息 - 科学家们可以利用地球上高度专业化的科学仪器解锁这些信息。[如何捕捉小行星:NASA任务解释(信息图) ] 尤其是星尘号任务,在进一步了解彗星组成方面取得了很大成就。它返回地球的彗星尘埃样本将使科学家们在未来几十年内保持忙碌,尽管其质量有限。我们将在第7章中详细了解这一使命及其收集的珍贵样本。幸运的是,未来有计划从太空收集岩石,其中一些任务已经开始,其他任务正在等待资助。这些任务包括对小行星,月球和火星的访问,虽然它们都可能是冒险的努力而无法保证它们能够实现目标,但很高兴知道从太空返回样本以进行地球分析是有希望的。在将来。太空岩石在地球上的到来幸运的是,事实证明,还有另一种获取太空岩石样本的方法,它甚至不涉及离开地球的安全范围。这是因为太空岩石一直像陨石一样自然地落到地球上。事实上,每年大约有4万到8万吨的太空岩石落到我们的星球上。这些免费空间样本可以比作宇宙金德蛋 - 它们充满了天体奖品,有关我们太阳系的信息。陨石可以包括小行星,彗星和其他行星的样本,其中大部分尚未被航天器采样。 在每年抵达地球的数千吨太空岩石中,大多数是相当小的,大多是尘埃大小的,我们将在第4章中学到更多,但是一些单独的岩石可能非常大。到达地球的一些最大的石质陨石重达60吨,与五辆双层巴士大致相同。陨石可以来自太空中的任何地方,但它往往是来自小行星的岩石,这些小行星在地球上最常见的是卵石大小的碎片,尽管彗星和行星也会出现。小行星块在与太空中较大的母体小行星断裂后,通常在与其他空间物体发生碰撞时,可能最终向地球冲击,这可能导致它们完全分裂或小块从其表面撞击。在太空,一旦这些小行星的小样本脱离了它们的母岩,它们就被称为计量器,它们可以花费数百,数千甚至数百万年的时间穿越太空,直到最终与月球,行星或太阳相撞。随着岩石进入另一个行星的大气层,它变成了一颗流星,如果这些碎片到达地球表面,或另一个行星或月球的表面,它们就会变成陨石。进入的太空岩石变成陨石并没有什么神奇之处,它只是岩石在它遇到的身体表面静止时所接收的名称。[ 也许甚至数百万年在太空中旅行直到最终与月球,行星或太阳相撞。随着岩石进入另一个行星的大气层,它变成了一颗流星,当这些碎片到达地球表面或另一个行星或月球的表面时,它们就变成了陨石。进入的太空岩石变成陨石并没有什么神奇之处,它只是岩石在它遇到的身体表面静止时所接收的名称。[ 也许甚至数百万年在太空中旅行直到最终与月球,行星或太阳相撞。随着岩石进入另一个行星的大气层,它变成了一颗流星,当这些碎片到达地球表面或另一个行星或月球的表面时,它们就变成了陨石。进入的太空岩石变成陨石并没有什么神奇之处,它只是岩石在它遇到的身体表面静止时所接收的名称。[ 它只是岩石在它遇到的身体表面静止时所接收的名称。[ 它只是岩石在它遇到的身体表面静止时所接收的名称。[流星风暴:的“流星”工作如何超大尺寸显示器(资料图) ] 如果所有这些空间岩石自然地免费抵达地球,那么你可能想知道为什么科学家们会费心去探望太空以尝试采样。尽管落在地球上的岩石采样范围比人类在许多生命周期中可以访问的范围更广,但这些样本往往偏向于能够最好地承受大气进入的严酷影响的那些。出现这个问题是因为在从大气层进入地球的大气进入过程中,岩石或任何物体经历的极端温度和压力变化,在很多情况下大到足以完全消除岩石的变化。大气进入期间的温度变化是由于物体的高进入速度的直接结果,其可以是大约10km / s至70km / s(25,000mph至150,000mph)的任何地方。在这些高超音速下行进时进入太空岩石的问题是大气不能足够快地移动。当岩石穿过太空时,这种效应是不存在的,仅仅因为空间是真空,因此存在太少的分子以相互撞击。穿过大气层的岩石对它遇到的分子具有缓冲和压缩作用,使它们堆积并分解成它们的成分原子。这些原子离子化产生一层白炽等离子体,加热到极高的温度 - 高达20,000摄氏度(36,032℉) - 并包围太空岩石,使它变得过热。结果是岩石在大气中燃烧并发光; 根据它的大小,我们可以称之为火球或流星。 这个过程的影响为进入的岩石带来了显着的物理变化,这实际上使我们更容易识别它何时成为地球表面的陨石。也就是说,融化壳的形成,随着岩石穿透下部大气而发展,并且通过与空气的摩擦而减速和加热。岩石的外部开始融化,形成的液体和气体的混合物从陨石的背面扫过,随之带走热量。虽然这个过程是连续的并且意味着热量不能穿透岩石(因此像热屏蔽一样),当温度最终下降时,熔化的“热屏蔽”凝固,因为最后剩余的液体在岩石表面冷却形成融合脆皮。由此产生的黑暗,通常有光泽,陨石上的外皮是一个独特的特征,通常可用于帮助识别它们并将它们与陆地岩石区分开来。融合壳的形成保护陨石的内部部分免受热的最坏影响,保留了它起源的母小行星,彗星或行星的成分。然而,尽管陨石与父母非常相似,但它们并不完全匹配。在形成熔融结壳的过程中,岩石随着它们在岩石外层经历的温度的极端变化而沸腾时失去一些更易挥发的成分。获得“完美”样本的唯一方法是直接从空间物体中收集一个并将其返回航天器。但是,由于陨石是来自太空的免费样品,当然比太空任务返回的样本更丰富,它们为科学家提供了一个很好的机会来找出小行星,彗星甚至其他行星的真正构成。因此,他们在地球上进行了大量的研究。[关于Comet Pan-STARRS的6个有趣事实 ] 尽管形成了融合地壳,但大气进入的影响可能相当苛刻和具有破坏性。具有较低压缩或较低压碎强度的岩石不太可能在经验中存活; 如果物体在大气中减速,则其抗压强度必须大于其经受的最大空气动力学压力。空气动力学压力与大气的局部密度成正比,这取决于物体遇到的行星。因此,例如,火星的气氛比地球更薄,并不能减缓传入物体的速度,并解释了为什么太空工程师必须非常仔细地考虑在红色行星表面上着陆航天器,因为他们的减速系统不能在地球上进行预先测试。 加载广告岩石的抗压强度受其成分控制:岩石矿物,金属,含碳材料,挥发相,孔隙空间的比例以及其组分材料包装在一起的程度。例如,耐寒的太空岩石,例如来自富含铁的小行星的岩石,往往能够承受温度和压力的极端变化,因为它们以极快的速度穿过地球的大气层。石质陨石也非常坚固,即使它们含有很少或没有铁。虽然铁很强,但是岩石矿物本身也可以很好地结合在一起,形成一块坚硬的岩石。不太可能在大气层中完好无损地存活的陨石是含有较高百分比的挥发物,孔隙空间的陨石,碳质相和所谓的水合矿物 - 那些将水注入其生长结构的矿物质。在称为碳质球粒陨石和彗星的陨石中,这些相丰富。因此,这些物体对加热效果更敏感,无法承受它们穿越地球大气层时所经历的空气动力。在某些情况下,它们只不过是松散的一团蓬松的雪,里面夹杂着一些污垢。即使你扔了一堆由这种混合材料制成的雪球,你也可能期望它在空气中分解。这证明了为什么大型彗星样本通常被认为不可能经受大气进入的苛刻压力和加热效应而不会熔化,爆炸或破碎成非常小的碎片。因此,尽管地球上收集了大量陨石,科学家仍然不确定他们是否已经从彗星中发现了大型陨石,因为他们预计会有极其脆弱的结构。所有这一切的结果是,一些太空岩石在地球上被过度表现为陨石,仅仅因为它们的成分能更好地抵抗大气进入的影响。

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