スターダストを捕まえる：彗星と小惑星の包括的な探査

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ナタリースターキーの新刊であるスターダストをキャッチして、彗星や小惑星との関係を探ります。

（画像：©ブルームズベリーシグマ）

Natalie Starkeyは、10年以上にわたって宇宙科学の研究に積極的に携わってきました。彼女はNASAスターダストやJAXAはやぶさなどのサンプル帰還宇宙ミッションに関与しており、画期的なESAロゼッタコメットミッションの計器チームの1つに共同研究者として招待されました。

彼女の新しい本「Catching Stardust」では、彗星や小惑星について私たちが発見していること、つまりそれらについてどのように学び、ほこりっぽい氷のような岩が太陽系の起源について共有しなければならないかを調べています。彼女の新しい本に関するスターキーとのQ＆Aをここで読んでください。

以下は、「Casting Stardust」の第3章からの抜粋です。 [彗星の種類の最高の接近遭遇]

地球上の彗星と小惑星

過去50年の間に、人間が太陽系内のさまざまな数のさまざまな物体を画像化、測定、およびサンプリングするために追求するにつれて、宇宙計測はますます高度になりました。人間は、完全に機能するローバーを火星に配置し、その表面を歩き回り、サンプルを掘削して収集し、搭載されている科学機器の貨物を分析しました。洗練された科学実験室も10年間に渡って宇宙に送られ、高速の彗星に追いつき、着陸して岩石、氷、ガスの分析を行ってきました。そしてこれは、宇宙探査の最近のハイライトのほんの一部を挙げたものです。しかし、これらの進歩と驚くべき成果にもかかわらず、地球上には最良かつ最も簡単に制御できる科学機器が存在します。問題は、これらのEarthインストゥルメントを宇宙に簡単に送ることができないことです。それらは重すぎてロケットに打ち上げるには感度が高く、正確かつ正確に実行するにはほぼ完璧な条件が必要です。宇宙環境は友好的な場所ではなく、温度と圧力がかなり極端であり、繊細で、時には気質の実験器具には適さない条件があります。

その結果、高度な実験器具を宇宙に投入しようとするのではなく、慎重に検討し、正確に分析するために宇宙岩石のサンプルを地球に持ち帰ることには、多くの利点があります。しかし、大きな問題は、宇宙で岩を集めて安全に地球に戻すことも簡単な作業ではないことです。実際、サンプルの宇宙からの帰還は数回しか達成されていません。1970年代のアポロおよびルナミッションでの月から、はやぶさミッションでの小惑星イトカワから、およびスターダストミッションでの彗星81P /ワイルド2からです。何百キロもの月の岩が地球に返還されましたが、「はやぶさ」と「スターダスト」のミッションでは、ごくわずかな量の岩石サンプルしか正確に返されませんでした。それでも、小さな岩石でも、構造物に膨大な量の情報を保持できるので、小さな岩石は無岩よりも確かに優れています。秘密は、科学者が地球上の非常に専門的な科学機器で解き明かすことができます。 [小惑星を捕まえる方法：NASAミッションの説明（インフォグラフィック）]

特にスターダストの使命は、彗星の構成に関する知識を深める上で大きな成果を上げました。地球に戻ってきた彗星ダストのサンプルは、質量が限られているにも関わらず、今後数十年間科学者を忙しくさせます。このミッションとそれが収集した貴重なサンプルについては、第7章で詳しく説明します。幸いなことに、宇宙から岩石を収集する将来の計画があり、いくつかのミッションはすでに進行中で、他のミッションは資金提供を待っています。これらのミッションには、小惑星、月、火星への訪問が含まれます。これらはすべて、目的を達成することを保証することなく危険な作業である可能性がありますが、地球ベースの分析のために宇宙からサンプルが戻ってくる可能性があることを知っておくのは良いことです。将来は。

地球上の宇宙岩の到来

幸いなことに、宇宙の岩石のサンプルを入手する別の方法があり、地球の安全な領域を離れることさえ含まれていないことがわかりました。これは、宇宙の岩が常に自然に隕石として地球に落ちるからです。実際、毎年約4万から8万トンの宇宙岩が地球に落下しています。これらの空きスペースのサンプルは、宇宙のキンダーエッグに例えることができます—それらには、天体の賞品、私たちの太陽系に関する情報が詰め込まれています。隕石には、小惑星、彗星、その他の惑星のサンプルが含まれる場合があり、それらのほとんどはまだ宇宙船でサンプリングされていません。

地球に毎年到着する数千トンの宇宙岩のうち、大部分は非常に小さく、ほとんどが塵のサイズであり、そのうち第4章で詳しく学びますが、いくつかの個々の岩は非常に大きくなる場合があります。地球に到着する最も大きな石の隕石のいくつかは、重量が最大60トンであり、これは5つの2階建てバスとほぼ同じです。隕石は宇宙のどこからでも発生する可能性がありますが、彗星や惑星の破片も出現する可能性がありますが、小惑星サイズの破片として地球上で最も一般的に見られる小惑星の岩になる傾向があります。小惑星の塊は、宇宙で大きな親小惑星から離脱した後、多くの場合、他の宇宙オブジェクトとの衝突中に地球に向かって急降下し、完全にバラバラにしたり、小さな破片が表面からノックされたりする可能性があります。宇宙では、小惑星のこれらの小さなサンプルが親岩から離れると、それらはメトロイドと呼ばれ、最終的に月、惑星、または太陽と衝突するまで、宇宙を旅して数百、数千、おそらく数百万年も過ごすことができます。岩が別の惑星の大気に入ると、それは流星となり、これらの断片が地球の表面、または別の惑星や月の表面に到達すると、隕石になります。入ってくる宇宙岩が隕石になるのは不思議なことではありません。それは、出会った体の表面で静止したときに岩が受け取る名前です。 [流星の嵐：「シューティングスター」の超大型ディスプレイの仕組み（インフォグラフィックス）]

これらすべての宇宙岩が自然に地球に無料で到着した場合、科学者がなぜ宇宙を訪れてサンプリングを試みるという面倒なことに煩わされるのか疑問に思うかもしれません。地球に落下する岩石は、人間が多くの生涯で訪れることができるよりもはるかに広い範囲の太陽系オブジェクトをサンプリングするという事実にもかかわらず、これらのサンプルは、大気侵入の過酷な影響に最も耐えられるものに偏る傾向があります。この問題は、宇宙から地球への大気の進入中に岩や物体が経験する極端な温度と圧力の変化が原因で発生します。多くの場合、変化は岩を完全になくすのに十分な大きさです。

大気圏突入時の温度変化は、物体の高い流入速度の直接的な結果として発生します。これは、約10km / sから70km / s（25,000mphから150,000mph）の範囲にあります。これらの極超音速で移動するとき、入ってくる宇宙岩の問題は、大気がその方法から十分に速く移動できないことです。岩石が宇宙を移動するとき、そのような影響はありません。単に宇宙が真空であり、分子が少なすぎて互いにノックインできないからです。大気中を移動する岩石は、遭遇する分子に緩衝作用と圧縮作用を及ぼし、それらを積み上げて構成原子に解離させます。これらの原子は電離して、20,000℃（36,032ºF）までの非常に高い温度に加熱された白熱プラズマのシュラウドを生成し、宇宙岩を包み込み、宇宙岩を過熱させます。その結果、岩は大気中で燃えて輝いているように見えます。そのサイズに応じて、ファイアボールまたはシューティングスターと呼ばれるもの。

このプロセスの影響は、入ってくる岩に顕著な物理的変化をもたらします。これは、実際に、それが地球の表面で隕石になる時期を特定するのを容易にします。つまり、岩石が下層大気に浸透し、空気との摩擦によって減速して加熱されると、融合地殻が形成されます。岩の外側の部分が溶け始め、形成された液体と気体の混合物が隕石の裏側から吹き飛ばされ、熱を奪います。このプロセスは継続的であり、熱が岩に浸透できないため（したがって、熱シールドのように機能します）、最終的に温度が下がると、最後の残りの液体が岩の表面で冷えて溶融を形成するため、溶融した「熱シールド」が凝固します地殻。結果として生じる暗い、しばしば光沢のある隕石の外皮は、それらを識別し、それらを陸上の岩石と区別するのに役立つことが多い特徴的な特徴です。核融合地殻の形成は、熱の最悪の影響から隕石の内部を保護し、それが発生した親小惑星、彗星、または惑星の構成を維持します。ただし、隕石は両親とよく似ていますが、完全に一致しているわけではありません。核融合地殻を形成する過程で、岩石は、岩石の外層で発生する極端な温度変化で沸騰して揮発性成分を失います。「完全な」サンプルを取得する唯一の方法は、宇宙オブジェクトから直接サンプルを収集し、それを宇宙船に戻すことです。しかし、隕石は宇宙からの無料のサンプルであり、宇宙ミッションから返されたサンプルよりも確かに豊富であるため、科学者は、小惑星、彗星、さらには他の惑星が実際に何でできているのかを知る絶好の機会を提供します。このため、彼らは地球でよく研究されています。 [彗星Pan-STARRSに関する6つの面白い事実]

核融合地殻の形成にもかかわらず、大気圏突入の影響はかなり過酷で破壊的です。圧縮または破砕の強度が低い岩は、経験を生き残る可能性が低くなります。物体が大気中の減速に耐える場合、その圧縮強度は、物体が経験する最大空気力学的圧力よりも大きくなければなりません。空力圧力は、オブジェクトが遭遇する惑星に依存する大気の局所密度に正比例します。したがって、たとえば、火星は地球よりも薄い大気であり、到来するオブジェクトをそれほど遅くするようには機能せず、減速システムは赤い惑星の表面に宇宙船を着陸させることについて宇宙エンジニアが非常に注意深く検討しなければならない理由を説明しています。地球上で事前テストされる。

岩石の圧縮強度は、岩石の組成、岩石鉱物、金属、炭素質材料、揮発性相、細孔空間の量、およびその構成要素の材料の密集度によって制御されます。たとえば、鉄分の多い小惑星の岩石などの丈夫な宇宙の岩石は、地球の大気中を猛スピードで疾走するため、温度と圧力の極端な変化に耐える傾向があります。石質隕石は、鉄をほとんどまたはまったく含まない場合でも、非常に頑丈です。鉄は強いですが、岩の鉱物自体も非常によく結合して、丈夫な岩片を作ることもできます。大気圏への侵入が無傷で生き残る可能性が低い隕石は、揮発性物質、細孔空間、炭素質相、いわゆる水和鉱物の割合が高い隕石で、水を成長構造に取り入れたものです。このような相は、炭素質コンドライトとして知られている隕石や彗星にも豊富に含まれています。したがって、これらのオブジェクトは加熱の影響をより受けやすく、地球の大気中を移動するときに発生する空気力に耐えることができません。いくつかのケースでは、それらはほんの少しの土が混ぜられた、ゆるく固まったほんの少しのふわふわの雪に過ぎません。これは、彗星の大きなサンプルが、溶けたり、爆発したり、非常に小さな破片になったりせずに、大気圏突入の過酷な圧力と加熱の影響に耐えられないと考えられる理由を示しています。そのため、地球上の隕石の大規模なコレクションにもかかわらず、科学者たちは、非常に壊れやすい構造を持っていると予想されるため、特に彗星から大きな隕石を見つけたと確信していません。これらすべての結果、一部の宇宙岩は、その組成が大気圏突入の影響に十分に耐えられるという理由だけで、地球上で隕石として過剰に表現されています。

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