Et støvet laboratorium på himlen

Joe Nuth elsker støv. Blandt astronomer, det sætter ham i mindretal.

"De traditionelle astronomer - de mennesker, der ser på galakser og stjerner - de hader støv, " sagde Nuth, en planetarisk videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det er de ting, der er i vejen for dem."

Som det jordiske støv, der samler sig under din seng, kosmisk støv er svært at undgå. "Det er omkring to procent af de samlede ting, herfra til hvor som helst, sagde Nuth. Men den fylder ikke for ingenting.

Støv kondenserer til asteroider og planeter. Kæmpe støvskyer kan transportere gasser fra en døende stjerne for at befrugte en ny. Støv omkring unge planeter kan holde dem varme, giver overflader, hvor vand kan samles og organiske molekyler dannes. Men om nogen af ​​disse effekter opstår afhænger af, hvordan disse små støvkorn er konstrueret, i den mindste skala.

Det er derfor, Nuth lancerer Determining Unknown yet Significant Traits, eller STØV-lydende raket. Et samarbejde mellem NASA og Japan Aerospace Exploration Agency, raketten vil foretage en kort flyvetur ud i rummet, at transportere laboratorieudstyr ind i et nul-tyngdekraftsmiljø. der, Nuth og hans team vil bygge deres helt egne støvkorn, i håb om at kaste lys over den store rolle, disse små pletter spiller i vores univers. DUSTs første mulighed for at affyre fra White Sands Missile Range i New Mexico begynder den 7. oktober, 2019.

Sparker støv op

Hvor udbredt det end måtte være, kosmisk støv dannes ikke let. Støvkorn opstår, når individuelle atomer kolliderer og klæber til hinanden. Men i rummet, direkte kollisioner er sjældne (det rum, hvor der dannes støv, er omkring 2,7 milliarder gange mindre tæt end luft ved havoverfladen). Selv når atomer kolliderer, de holder måske ikke. I et tidligere eksperiment, Nuth fandt ud af, at for hver 100, 000 kollisioner mellem zinkatomer, kun tre holder sig til en voksende støvkrystal.

Når et par atomer trænger sig sammen, et vaklende Jenga-agtigt tårn dukker op. "Du går op ad en stige af ustabilitet, " sagde Nuth. "Små klynger vil virkelig falde fra hinanden." Men hvis du kan omgive nok atomer på alle sider, systemet begynder at stabilisere sig. Du har et voksende støvkorn.

Det er, når selve støvkornene støder sammen, at tingene bliver interessante. Hvis de pakker sammen som sne til snebolde, de reagerer ikke meget med lys eller varme. Men hvis de i stedet knytter sig sammen til kniplinger, snefnuglignende strukturer, de gør meget mere. Sådanne krystallinske støvaggregater fanger stjernelys som et sejl, piske gasser fra den ene stjerne til den næste. De fanger også varme, potentielt ændre skæbnen for planeter, de dækker. "Hvis du har en voksende planet omgivet af et støvet tæppe, det er et andet termisk miljø end uden, " sagde Nuth. "Støv påvirker måden planeter vokser på."

Men hvordan disse støvkorn dannes og aggregeres sammen, er stadig ikke godt forstået. At finde ud af det kan give et stort afkast på tværs af rumfysikken.

Samler støv

Indtil nu, Nuth har udført det meste af sit arbejde i laboratoriet, men Jordens tyngdekraft pålægger alvorlige begrænsninger. Hans eksperimenter kræver opvarmning af materialer til langt over 1000 grader Fahrenheit. Men så høje temperaturer skaber konvektion - den kvælning af luft, der sker i din ovn - som ikke sker i det dybe rum. "For at måle væksten af ​​støvkorn, vi har brug for et konstant miljø, " sagde Nuth. For at få det, du skal gå til mikrogravitation.

Nuth gik sammen med sin tidligere postdoc Yuki Kimura fra Hokkaido University i Japan for at lancere laboratorieudstyr ud i rummet. Nyttelasten, designet af Kimura, vejer omkring 330 pounds. "Den er omtrent lige så stor som en lille motorcykel, " sagde Kimura.

Inde, et sæt metaltråde belagt med magnesiumsilikater - ville være støvpartikler - venter på lancering. Når først raketten kommer ind i rummet og oplever mikrotyngdekraft, tråden varmes op, og atomerne og molekylerne diffunderer væk. Nogle støder sammen, Pind, og begynder at danne støvkorn; andre vil ikke. Ved hjælp af spektroskopi og andre mål, STØV-eksperimentet vil måle, hvornår korn begynder at vokse og bindes sammen til aggregater, noterer ved hvilken temperatur og tæthed de klarer sig bedst. Nyttelasten vil derefter falde tilbage til Jorden for at blive indsamlet til yderligere analyse.

Når støvet lægger sig

Selv før du henter nyttelasten, Nuth vil være i laboratoriet og arbejde på den jordbaserede del af eksperimentet. Hans spørgsmål er, om dannelsen af ​​støvkorn kunne være enklere end forventet.

I princippet, støvkorn kan dannes fra et hvilket som helst af de 92 naturligt forekommende grundstoffer i det periodiske system. "Men det er meget svært at modellere, " sagde Nuth. Hvert element har sine egne særheder; at tage hensyn til dem alle på én gang er en stor udfordring.

I tidligere forsøg, Nuth lærte, at nogle elementer blokerer hinanden:Hvis jern kommer ind i et voksende støvkorn, for eksempel, det har en tendens til at holde magnesium ude. Han udforsker denne adfærd i laboratoriet, i håb om at reducere en 92-variables ligning til noget meget mere overskueligt. "Det er meget nemmere, hvis du kun skal bekymre dig om et eller to bestemte materialer, sagde Nuth.

Resultaterne fra raketten, parret med Nuths arbejde i laboratoriet, har til formål at kaste lys over, hvordan de støvede to procent af vores synlige univers fungerer. Samlet set, STØV-eksperimentet minder os om, at nøglen til det ufatteligt store nogle gange ligger i det utroligt lille.

Den DUST-lydende raket vil affyres fra White Sands Missile Range på en Black Brant IX-raket. I løbet af sin cirka 14 minutters flyvning, raketten vil nå en estimeret højde på 200 miles, før den falder tilbage til Jorden for genopretning.