Bắt Stardust, một cuốn sách mới của Natalie Starkey, khám phá mối quan hệ của chúng ta với sao chổi và tiểu hành tinh.
(Ảnh: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey đã tích cực tham gia nghiên cứu khoa học vũ trụ trong hơn 10 năm. Cô đã tham gia vào các nhiệm vụ không gian trở về mẫu, như NASA Stardust và JAXA Hayabusa, và cô được mời làm điều tra viên trong một trong những nhóm nhạc cụ cho nhiệm vụ sao chổi ESA Rosetta đột phá.
Cuốn sách mới của cô, "Catching Stardust", xem xét những gì chúng ta khám phá về sao chổi và tiểu hành tinh - cách chúng ta tìm hiểu về chúng và những tảng đá bụi bặm, bụi bặm phải chia sẻ về nguồn gốc của hệ mặt trời. Đọc một câu hỏi và trả lời với Starkey về cuốn sách mới của cô ấy ở đây.
Dưới đây là một đoạn trích từ Chương 3 của "Bắt Stardust." [Cuộc gặp gỡ gần nhất của loại sao chổi]
Sao chổi và tiểu hành tinh trên Trái đất
Trong suốt 50 năm qua, thiết bị vũ trụ ngày càng tiến bộ hơn khi con người đã theo đuổi một số lượng khác nhau các vật thể khác nhau trong Hệ Mặt trời của chúng ta để chụp ảnh, đo lường và lấy mẫu. Con người đã đặt thành công một chiếc rover hoạt động đầy đủ trên hành tinh sao Hỏa để đi lang thang trên bề mặt của nó, khoan và thu thập các mẫu để phân tích trên tàu chở các dụng cụ khoa học. Một phòng thí nghiệm khoa học tinh vi cũng đã được gửi vào vũ trụ trong một hành trình dài hàng thập kỷ để bắt kịp và hạ cánh trên một sao chổi tốc độ để thực hiện các phân tích về đá, băng và khí của nó. Và đây chỉ là một vài trong số những điểm nổi bật gần đây của thám hiểm không gian. Tuy nhiên, bất chấp những tiến bộ và thành tựu đáng kinh ngạc này, các công cụ khoa học tốt nhất và dễ kiểm soát nhất vẫn tồn tại trên Trái đất. Vấn đề là những thiết bị Trái đất này không thể được gửi vào vũ trụ rất dễ dàng - chúng quá nặng và nhạy cảm để phóng lên một tên lửa và chúng cần các điều kiện gần như hoàn hảo để thực hiện với độ chính xác và chính xác. Môi trường không gian không phải là một nơi thân thiện, với sự khắc nghiệt đáng kể về nhiệt độ và áp suất, các điều kiện không phù hợp với các dụng cụ phòng thí nghiệm tinh tế và đôi khi.
Kết quả là thường có nhiều lợi thế để đưa các mẫu đá không gian trở lại Trái đất để phân tích cẩn thận, cân nhắc và chính xác, trái ngược với nỗ lực phóng các dụng cụ phòng thí nghiệm tiên tiến vào không gian. Tuy nhiên, vấn đề chính là thu thập đá trong không gian và đưa chúng trở lại Trái đất an toàn cũng không phải là nhiệm vụ đơn giản. Trên thực tế, việc quay trở lại mẫu từ vũ trụ chỉ đạt được một vài lần: từ Mặt trăng với các nhiệm vụ Apollo và Luna vào những năm 1970, từ tiểu hành tinh Itokawa với nhiệm vụ Hayabusa và từ sao chổi 81P / Wild2 với nhiệm vụ Stardust. Mặc dù hàng trăm kg đá Mặt trăng đã được đưa trở lại Trái đất, các nhiệm vụ Hayabusa và Stardust chỉ trả lại số lượng mẫu đá nhỏ - chính xác là những mảnh vỡ có kích thước bụi. Tuy nhiên, các mẫu nhỏ chắc chắn tốt hơn so với không có mẫu nào, vì ngay cả những tảng đá nhỏ cũng có thể chứa một lượng thông tin khổng lồ trong cấu trúc của chúng - những bí mật mà các nhà khoa học có thể mở khóa bằng các công cụ khoa học chuyên môn cao của chúng trên Trái đất. [Cách bắt tiểu hành tinh: Giải thích sứ mệnh của NASA (Infographic)]
Nhiệm vụ Stardust, đặc biệt, đã đạt được rất nhiều trong việc nâng cao kiến thức của chúng ta về thành phần của sao chổi. Các mẫu bụi sao chổi được đưa trở lại Trái đất sẽ khiến các nhà khoa học bận rộn trong nhiều thập kỷ tới, mặc dù khối lượng hạn chế của chúng. Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về nhiệm vụ này và các mẫu quý giá mà nó đã thu thập được, trong Chương 7. May mắn thay, có những kế hoạch tương lai để thu thập đá từ không gian, với một số nhiệm vụ đang trên đường và những người khác đang chờ tài trợ. Các nhiệm vụ này bao gồm các chuyến thăm tới các tiểu hành tinh, Mặt trăng và Sao Hỏa, và trong khi tất cả chúng đều có thể là những nỗ lực rủi ro mà không đảm bảo rằng chúng sẽ đạt được mục tiêu của mình, thật tốt khi biết có sự hy vọng về sự trở lại của các mẫu từ không gian để phân tích trên Trái đất trong tương lai.
Sự xuất hiện của đá vũ trụ trên Trái đất
May mắn thay, hóa ra là có một cách khác để lấy các mẫu đá không gian và thậm chí nó không liên quan đến việc rời khỏi giới hạn an toàn của Trái đất. Điều này là do đá không gian tự nhiên rơi xuống Trái đất như thiên thạch mọi lúc. Trên thực tế, khoảng 40.000 đến 80.000 tấn đá vũ trụ rơi xuống hành tinh của chúng ta mỗi năm. Những mẫu không gian trống này có thể được ví như Trứng Kinder vũ trụ - chúng được đóng gói với các giải thưởng thiên thể, thông tin về Hệ Mặt trời của chúng ta. Thiên thạch có thể bao gồm các mẫu thiên thạch, sao chổi và các hành tinh khác, hầu hết chúng chưa được lấy mẫu bằng tàu vũ trụ.
Trong số hàng ngàn tấn đá vũ trụ đến Trái đất mỗi năm, phần lớn khá nhỏ, chủ yếu là bụi, trong đó chúng ta sẽ tìm hiểu thêm trong Chương 4, nhưng một số loại đá riêng lẻ có thể khá lớn. Một số thiên thạch đá lớn nhất đến Trái đất có trọng lượng lên tới 60 tấn, tương đương với năm chiếc xe buýt hai tầng. Thiên thạch có thể bắt nguồn từ bất cứ nơi nào trong không gian, nhưng nó có xu hướng là đá từ các tiểu hành tinh thường thấy nhất trên Trái đất dưới dạng các mảnh có kích thước bằng đá cuội, mặc dù các mảnh sao chổi và hành tinh cũng có thể xuất hiện. Các thiên thạch có thể cuối cùng rơi xuống Trái đất sau khi chúng vỡ ra khỏi tiểu hành tinh lớn hơn của chúng trong không gian, thường là trong các vụ va chạm với các vật thể không gian khác, có thể khiến chúng vỡ ra hoàn toàn hoặc cho các mảnh nhỏ bị đập khỏi bề mặt. Trong không gian, một khi các mẫu thiên thạch nhỏ này tách ra khỏi đá mẹ, chúng được gọi là meteroids và chúng có thể tiêu tốn hàng trăm, hàng ngàn, thậm chí hàng triệu năm du hành trong không gian cho đến khi cuối cùng va chạm với mặt trăng, hành tinh hoặc Mặt trời. Khi tảng đá đi vào bầu khí quyển của một hành tinh khác, nó trở thành một thiên thạch và nếu và khi những mảnh này chạm tới bề mặt Trái đất, hoặc bề mặt của một hành tinh hoặc Mặt trăng khác, chúng sẽ trở thành thiên thạch. Không có gì kỳ diệu về một tảng đá không gian đến biến thành thiên thạch, nó chỉ đơn giản là một cái tên mà hòn đá nhận được khi nó đứng yên trên bề mặt của cơ thể mà nó gặp. [Bão sao băng: Cách hiển thị siêu lớn của 'Sao chụp' (Infographics)]
Nếu tất cả những tảng đá không gian này tự nhiên đến Trái đất miễn phí, thì bạn có thể tự hỏi tại sao các nhà khoa học bận tâm đến việc gặp phải không gian để thử lấy mẫu. Mặc dù thực tế là những tảng đá rơi xuống Trái đất lấy mẫu vật thể trong Hệ Mặt trời rộng hơn nhiều so với con người có thể truy cập trong nhiều kiếp sống, những mẫu này có xu hướng thiên về những thứ có thể sống sót tốt nhất trước tác động khắc nghiệt của khí quyển. Vấn đề phát sinh là do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất cực độ của một tảng đá, hoặc bất kỳ vật thể nào, trong quá trình đi vào khí quyển từ không gian đến Trái đất, các biến thể đủ lớn để phá hủy hoàn toàn một tảng đá trong nhiều trường hợp.
Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình xâm nhập khí quyển xảy ra là kết quả trực tiếp của tốc độ đến cao của vật thể, có thể ở bất cứ đâu từ khoảng 10km / s đến 70km / s (25.000mph đến 150.000 dặm / giờ). Vấn đề đối với đá vũ trụ đến khi đi với những vận tốc siêu âm này là bầu khí quyển không thể di chuyển ra khỏi đường đủ nhanh. Một hiệu ứng như vậy vắng mặt khi một hòn đá di chuyển trong không gian, đơn giản vì không gian là chân không nên có quá ít phân tử có mặt để gõ vào nhau. Một tảng đá đi qua bầu khí quyển có tác dụng tự chọn và nén lên các phân tử mà nó gặp phải, khiến chúng chồng chất và phân tách thành các nguyên tử thành phần của chúng. Các nguyên tử này ion hóa để tạo ra một lớp plasma nóng sáng được nung nóng đến nhiệt độ cực cao - lên tới 20.000 độ C (36.032ºF) - và bao phủ đá không gian, khiến nó trở nên siêu nóng. Kết quả là tảng đá dường như bốc cháy và phát sáng trong bầu khí quyển; cái mà chúng ta có thể gọi là một quả cầu lửa hoặc một ngôi sao băng, tùy thuộc vào kích thước của nó.
Tác động của quá trình này mang lại sự thay đổi vật lý đáng chú ý cho tảng đá sắp tới, một thứ thực sự giúp chúng ta dễ dàng xác định hơn khi nó trở thành thiên thạch trên bề mặt Trái đất. Đó là, sự hình thành của lớp vỏ hợp nhất, phát triển khi đá xuyên qua bầu khí quyển thấp hơn và bị làm chậm và nóng lên do ma sát với không khí. Phần bên ngoài của đá bắt đầu tan chảy và hỗn hợp chất lỏng và khí hình thành được quét ra khỏi mặt sau của thiên thạch, lấy nhiệt với nó. Mặc dù quá trình này diễn ra liên tục và có nghĩa là nhiệt không thể xuyên qua đá (do đó hoạt động giống như một lá chắn nhiệt), khi nhiệt độ cuối cùng giảm xuống, 'lá chắn nhiệt' nóng chảy sẽ đông cứng lại khi chất lỏng còn lại cuối cùng nguội đi trên bề mặt đá tạo thành phản ứng tổng hợp vỏ trái đất. Kết quả tối, thường sáng bóng, vỏ trên thiên thạch là một đặc điểm đặc biệt thường có thể được sử dụng để giúp xác định chúng và phân biệt chúng với đá trên mặt đất. Sự hình thành của lớp vỏ hợp nhất bảo vệ các bộ phận bên trong của thiên thạch khỏi tác động xấu nhất của nhiệt, bảo tồn thành phần của tiểu hành tinh, sao chổi hoặc hành tinh mà nó bắt nguồn. Tuy nhiên, mặc dù các thiên thạch gần giống với cha mẹ của chúng, chúng không phải là một kết hợp chính xác. Trong quá trình hình thành lớp vỏ nhiệt hạch, đá mất đi một số thành phần dễ bay hơi hơn khi chúng bị đun sôi với những thay đổi cực đoan về nhiệt độ trải qua ở các lớp ngoài của đá. Cách duy nhất để có được một mẫu 'hoàn hảo' là thu thập trực tiếp từ một vật thể không gian và trả lại nó trong một con tàu vũ trụ. Tuy nhiên, do thiên thạch là các mẫu miễn phí từ vũ trụ và chắc chắn dồi dào hơn các mẫu được trả lại bởi các sứ mệnh không gian, chúng mang đến cho các nhà khoa học cơ hội tuyệt vời để tìm hiểu các tiểu hành tinh, sao chổi và thậm chí các hành tinh khác thực sự được tạo ra. Họ được nghiên cứu rất nhiều trên Trái đất vì lý do này. [6 sự thật thú vị về Comet Pan-STARRS]
Mặc dù hình thành lớp vỏ hợp nhất, ảnh hưởng của sự xâm nhập khí quyển có thể khá khắc nghiệt và phá hoại. Những loại đá có độ nén thấp hơn, hoặc nghiền thấp hơn, sức mạnh ít có khả năng sống sót qua trải nghiệm; nếu một vật thể sống sót sau khi giảm tốc trong khí quyển, thì cường độ nén của nó phải lớn hơn áp suất khí động học tối đa mà nó trải qua. Áp suất khí động tỷ lệ thuận với mật độ cục bộ của khí quyển, phụ thuộc vào hành tinh mà vật thể gặp phải. Vì vậy, ví dụ, sao Hỏa có bầu khí quyển mỏng hơn Trái đất, không hoạt động để làm chậm các vật thể đến nhiều và giải thích tại sao các kỹ sư không gian phải suy nghĩ rất kỹ về tàu vũ trụ hạ cánh trên bề mặt hành tinh đỏ, vì các hệ thống giảm tốc của chúng không thể được thử nghiệm trước trên Trái đất.
Cường độ nén của đá được kiểm soát bởi thành phần của nó: tỷ lệ khoáng chất đá, kim loại, vật liệu carbonate, pha dễ bay hơi, lượng không gian lỗ rỗng và vật liệu thành phần của nó được đóng gói với nhau như thế nào. Ví dụ, các loại đá không gian cứng, như đá từ các tiểu hành tinh giàu sắt, có xu hướng sống sót qua những thay đổi cực đoan về nhiệt độ và áp suất khi chúng bay với tốc độ lớn trong bầu khí quyển của Trái đất. Các thiên thạch đá cũng khá mạnh mẽ, ngay cả khi chúng chứa ít hoặc không có sắt. Mặc dù sắt rất mạnh, bản thân các khoáng chất đá cũng có thể được liên kết rất tốt để tạo ra một mảnh đá cứng. Các thiên thạch ít có khả năng sống sót trong khí quyển còn nguyên vẹn là những thiên thạch chứa tỷ lệ chất bay hơi, không gian lỗ rỗng, pha carbon và các khoáng chất được gọi là hydrat hóa cao hơn - những loại có chứa nước trong cấu trúc tăng trưởng của chúng. Các pha như vậy có rất nhiều trong các thiên thạch được gọi là chondrites carbonace và cả sao chổi. Do đó, những vật thể này nhạy cảm hơn với tác động của sưởi ấm và không thể chịu được các lực khí động học mà chúng gặp phải khi chúng đi qua bầu khí quyển của Trái đất. Trong một số trường hợp, chúng chẳng khác gì một đống tuyết mịn được kết hợp lỏng lẻo với một ít bụi bẩn trộn lẫn. Ngay cả khi bạn ném một quả cầu tuyết làm từ hỗn hợp vật liệu như vậy, bạn có thể mong đợi nó sẽ tan rã trong không khí. Điều này chứng tỏ tại sao một mẫu lớn của sao chổi thường được coi là không thể tồn tại dưới áp lực khắc nghiệt và hiệu ứng làm nóng của khí quyển mà không bị tan chảy, nổ tung hoặc vỡ thành những mảnh rất nhỏ. Như vậy, mặc dù có bộ sưu tập thiên thạch lớn trên Trái đất, các nhà khoa học vẫn không chắc chắn rằng họ đã tìm thấy một thiên thạch lớn đặc biệt từ sao chổi vì cấu trúc cực kỳ mỏng manh mà họ dự kiến sẽ có. Kết quả của tất cả những điều này là một số loại đá không gian được đại diện quá mức dưới dạng thiên thạch trên Trái đất chỉ đơn giản là do các thành phần của chúng chịu được tác động của khí quyển tốt hơn.
Trích từ Catching Stardust: Sao chổi, tiểu hành tinh và sự ra đời của hệ mặt trời của Natalie Starkey. Bản quyền © Natalie Starkey 2018. Được xuất bản bởi Bloomsbury Sigma, một dấu ấn của Bloomsbury Publishing. In lại với sự cho phép.
