Kosmisk detektivarbejde:Hvorfor vi bekymrer os om rumsten

Hele historien om menneskets eksistens er et lille udslag i vores solsystems 4,5 milliarder år lange historie. Ingen var i nærheden for at se planeter dannes og undergå dramatiske ændringer, før de slog sig ned i deres nuværende konfiguration. For at forstå, hvad der kom før os – før livet på Jorden og før Jorden selv – er videnskabsmænd nødt til at lede efter spor til den mystiske fjerne fortid.

Disse spor kommer i form af asteroider, kometer og andre små genstande. Ligesom detektiver søger gennem retsmedicinske beviser, videnskabsmænd undersøger omhyggeligt disse små kroppe for at få indsigt i vores oprindelse. De fortæller om en tid, hvor utallige meteorer og asteroider regnede ned på planeterne, brændt op i solen, skudt ud over Neptuns kredsløb eller kolliderede med hinanden og knust i mindre kroppe. Fra det fjerne, iskolde kometer til asteroiden, der afsluttede dinosaurernes regeringstid, hver rumsten indeholder spor til episke begivenheder, der formede solsystemet, som vi kender det i dag – inklusive livet på Jorden.

NASAs missioner for at studere disse "ikke-planeter" hjælper os med at forstå, hvordan planeter inklusive Jorden blev dannet, lokaliser farer fra indkommende genstande og tænk på fremtidens udforskning. De har spillet nøgleroller i vores solsystems historie, og afspejle, hvordan det fortsætter med at ændre sig i dag.

"De har måske ikke kæmpe vulkaner, globale oceaner eller støvstorme, men små verdener kunne besvare store spørgsmål, vi har om oprindelsen af ​​vores solsystem, " sagde Lori Glaze, fungerende direktør for Planetary Science Division i NASAs hovedkvarter i Washington.

NASA har en lang historie med at udforske små kroppe, begyndende med Galileos forbiflyvning af asteroiden Gaspra i 1991. Det første rumfartøj, der kredsede om en asteroide, Near Earth Asteroid Rendezvous (NEAR) skomager, landede også med succes på asteroiden Eros i 2000 og tog målinger, der oprindeligt ikke var planlagt. Deep Impact-missionen kørte en sonde ind i Comet Tempel 1 i 2005 og fik videnskabsmænd til at genoverveje, hvor kometer blev dannet. Nyere indsats har bygget på disse succeser og vil fortsætte med at lære os mere om vores solsystem. Her er en oversigt over, hvad vi kan lære:

Planeternes byggeklodser

Vores solsystem, som vi kender det i dag, er dannet af støvkorn - små partikler af sten, metal og is – hvirvlende i en skive omkring vores spædbarnssol. Det meste af materialet fra denne skive faldt i den nyfødte stjerne, men nogle stykker undgik den skæbne og hang sammen, vokser til asteroider, kometer og endda planeter. Masser af rester fra den proces har overlevet den dag i dag. Væksten af ​​planeter fra mindre objekter er en del af vores historie, som asteroider og kometer kan hjælpe os med at undersøge.

"Asteroider, kometer og andre små kroppe rummer materiale fra solsystemets fødsel. Hvis vi vil vide, hvor vi kommer fra, vi skal studere disse objekter, " sagde Glaze.

To gamle fossiler, der giver spor til denne historie, er Vesta og Ceres, de største kroppe i asteroidebæltet mellem Mars og Jupiter. NASAs Dawn-rumfartøj, som for nylig afsluttede sin mission, kredsede om dem begge og viste definitivt, at de ikke er en del af den almindelige "asteroideklub". Mens mange asteroider er løse samlinger af murbrokker, det indre af Vesta og Ceres er lagdelt, med det tætteste materiale i deres kerne. (I videnskabelige termer, deres indre siges at være "differentieret.") Dette indikerer, at begge disse kroppe var på vej til at blive planeter, men deres vækst var hæmmet - de havde aldrig nok materiale til at blive så store som de store planeter.

Men mens Vesta stort set er tørt, Ceres er våd. Det kan have så meget som 25 procent vand, for det meste bundet i mineraler eller is, med mulighed for underjordisk væske. Tilstedeværelsen af ​​ammoniak i Ceres er også interessant, fordi det typisk kræver køligere temperaturer end Ceres' nuværende placering. Dette indikerer, at dværgplaneten kunne være dannet ud over Jupiter og migreret ind, eller i det mindste inkorporerede materialer, der stammede længere fra Solen. Mysteriet om Ceres' oprindelse viser, hvor kompleks planetarisk dannelse kan være, og det understreger vores solsystems komplicerede historie.

Selvom vi indirekte kan studere planeternes dybe indre for spor om deres oprindelse, som NASA's InSight-mission vil gøre på Mars, det er umuligt at bore ned i kernen af ​​nogen større genstand i rummet, inklusive Jorden. Alligevel, et sjældent objekt kaldet Psyche kan give mulighed for at udforske en planetlignende krops kerne uden at grave. Asteroiden Psyche ser ud til at være den blottede jern-nikkel-kerne af en protoplanet - en lille verden, der blev dannet tidligt i vores solsystems historie, men som aldrig nåede planetstørrelse. Ligesom Vesta og Ceres, Psyche så sin vej til planetskab forstyrret. NASA's Psyche-mission, lanceres i 2022, vil hjælpe med at fortælle historien om planetdannelsen ved at studere denne metalgenstand i detaljer.

Længere væk, NASAs New Horizons-rumfartøj er i øjeblikket på vej til et fjernt objekt kaldet 2014 MU69, tilnavnet "Ultima Thule" af missionen. En milliard miles længere fra Solen end Pluto, MU69 er bosiddende i Kuiperbæltet, et område af isrige objekter ud over Neptuns kredsløb. Objekter som MU69 kan repræsentere de mest primitive, eller uændret, materiale, der forbliver i solsystemet. Mens planeterne kredser i ellipser omkring Solen, MU69 og mange andre Kuiperbælts objekter har meget cirkulære baner, tyder på, at de ikke har flyttet sig fra deres oprindelige veje i 4,5 milliarder år. Disse objekter kan repræsentere byggestenene i Pluto og andre fjerne iskolde verdener som den. New Horizons nærmer sig MU69 den 1. januar, 2019 – den fjerneste planetariske forbiflyvning i historien.

"Ultima Thule er utrolig videnskabeligt værdifuld for at forstå oprindelsen af ​​vores solsystem og dets planeter, " sagde Alan Stern, hovedefterforsker af New Horizons, baseret på Southwest Research Institute i Boulder, Colorado. "Det er gammelt og uberørt, og ikke som noget, vi har set før."

Levering af livets elementer

Små verdener er sandsynligvis også ansvarlige for at så jorden med ingredienserne til liv. At studere, hvor meget vand de har, er bevis for, hvordan de hjalp med at så liv på Jorden.

"Små kroppe er game changers. De deltager i den langsomme og stabile udvikling af vores solsystem over tid, og påvirke planetariske atmosfærer og muligheder for liv. Jorden er en del af den historie, " sagde NASAs chefforsker Jim Green.

Et eksempel på en asteroide, der indeholder livets byggesten, er Bennu, målet for NASA's OSIRIS-REx (Origins, Spektral fortolkning, Ressourceidentifikation, Security-Regolith Explorer) mission. Bennu kan være fyldt med molekyler af kulstof og vand, som begge er nødvendige for livet, som vi kender det. Da Jorden blev dannet, og bagefter, genstande som Bennu regnede ned og leverede disse materialer til vores planet. Disse objekter havde ikke selv oceaner, men derimod vandmolekyler bundet i mineraler. Op til 80 procent af Jordens vand menes at komme fra små kroppe som Bennu. Ved at studere Bennu, vi kan bedre forstå den slags genstande, der gjorde det muligt for en gold ung jord at blomstre med liv.

Bennu opstod sandsynligvis i hovedasteroidebæltet mellem Mars og Jupiter, og det menes at have overlevet en katastrofal kollision, der skete for mellem 800 millioner og 2 milliarder år siden. Forskere tænker stort, kulstofrig asteroide knust i tusindvis af stykker, og Bennu er en af ​​resterne. I stedet for en fast genstand, Bennu menes at være en "brokkerbunke"-asteroide - en løs samling af sten, der er klistret sammen gennem tyngdekraften, og en anden kraft, forskere kalder "samhørighed". OSIRIS-REx, som ankommer til Bennu i begyndelsen af ​​december 2018, efter en rejse på 1,2 milliarder miles (2 milliarder kilometer), og vil bringe en prøve af dette spændende objekt tilbage til Jorden i en prøve-retur-kapsel i 2023.

Den japanske Hayabusa-2-mission ser også på en asteroide fra den samme familie af kroppe, der menes at have leveret ingredienser til livet til Jorden. I øjeblikket i kredsløb om asteroiden Ryugu, med små hoppende rovere på overfladen, missionen vil indsamle prøver og returnere dem i en kapsel til Jorden til analyse inden udgangen af ​​2020. Vi vil lære meget ved at sammenligne Bennu og Ryugu, og forstå lighederne og forskellene mellem deres prøver.

Sporer af solsystemets evolution

Det meste af det materiale, der dannede vores solsystem, inklusive Jorden, levede ikke for at fortælle historien. Det faldt ned i Solen eller blev kastet ud uden for rækkevidden af ​​vores kraftigste teleskoper; kun en lille brøkdel dannede planeterne. Men der er nogle frafaldne rester fra de tidlige dage, hvor ting af planeter hvirvlede med en usikker skæbne omkring Solen.

En særlig katastrofal tid for solsystemet var mellem 50 og 500 millioner år efter, at Solen blev dannet. Jupiter og Saturn, vores systems mest massive giganter, reorganiserede objekterne omkring dem, da deres tyngdekraft interagerede med mindre verdener såsom asteroider. Uranus og Neptun kan være opstået tættere på Solen og blevet sparket udad, da Jupiter og Saturn bevægede sig rundt. Saturn, faktisk, kan have forhindret Jupiter i at "æde" nogle af de jordiske planeter, inklusive Jorden, da dens tyngdekraft modvirkede Jupiters videre bevægelse mod Solen.

Sværme af asteroider kaldet trojanske heste kunne hjælpe med at finde ud af detaljerne i den turbulente periode. Trojanerne består af to klynger af små kroppe, der deler Jupiters bane omkring Solen, med én gruppe foran Jupiter og én bagud. Men nogle trojanske heste ser ud til at være lavet af andre materialer end andre, som angivet af deres forskellige farver. Nogle er meget rødere end andre og kan være opstået uden for Neptuns kredsløb, mens de gråere kan have dannet sig meget tættere på Solen. Den førende teori er, at da Jupiter flyttede rundt for længe siden, disse objekter blev indlejret i Lagrange-punkter - steder, hvor Jupiters og Solens tyngdekraft skaber holdeområder, hvor asteroider kan fanges. Trojanernes mangfoldighed, videnskabsmænd siger, afspejler Jupiters rejse til dens nuværende placering. "De er resterne af, hvad der foregik, sidste gang Jupiter bevægede sig, " sagde Hal Levison, forsker ved Southwest Research Institute.

NASA's Lucy-mission, lanceres i oktober 2021, vil sende et rumfartøj til trojanerne for første gang, grundigt at undersøge seks trojanske heste (tre asteroider i hver sværm). For Levison, missionens hovedefterforsker, rumfartøjet vil teste ideer, han og kolleger har arbejdet på i årtier om Jupiters omformning af solsystemet. "Det, der virkelig ville være interessant, er, hvad vi ikke forventer, " han sagde.

Processer i et solsystem i udvikling

Efter solnedgang, under de rette forhold, du kan bemærke spredt sollys i ekliptikplanet, det område af himlen, hvor planeterne kredser. Dette skyldes, at sollys bliver spredt af støv, der er tilbage fra kollisioner af små kroppe såsom kometer og asteroider. Forskere kalder dette fænomen "zodiacal light, " og det er en indikation af, at vores solsystem stadig er aktivt. Støv i stjernetegn omkring andre stjerner indikerer, at de, også, kan rumme aktive planetsystemer.

Støv fra små kroppe har især haft en vigtig rolle på vores planet. Omkring 100 tons meteoritisk materiale og støvmateriale falder på Jorden hver dag. Noget af det kommer fra kometer, hvis aktivitet har direkte konsekvenser for Jordens udvikling. Når kometer nærmer sig Solen og oplever dens varme, gasser inde i kometen bobler op og fører støvet materiale væk fra kometen – inklusive ingredienser til livet. NASAs Stardust-rumfartøj fløj forbi Comet 81P/Wild og fandt ud af, at kometstøv indeholder aminosyrer, som er byggesten i livet.

Lejlighedsvise udbrud af gas og støv observeret i kometer indikerer aktivitet på eller nær deres overflader, såsom jordskred. Den Europæiske Rumorganisations Rosetta-mission, som afsluttede sin udforskning af Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko i 2016, leveret hidtil uset indsigt om kometaktivitet. Blandt ændringerne i kometen, rumfartøjet observerede en massiv klippekollaps, en stor revne bliver større og en kampesten bevæger sig. "Vi opdagede, at kampesten på størrelse med en stor lastbil kunne flyttes hen over kometens overflade en afstand så lang som halvanden fodboldbaner, " Ramy El-Maarry, et medlem af det amerikanske Rosetta videnskabshold fra University of Colorado, Kampesten, sagde i 2017.

Kometer påvirker også planetens bevægelse i dag. Mens Jupiter fortsætter med at kaste kometer udad, den bevæger sig en smule indad på grund af gravitationsdansen med de iskolde kroppe. Neptun, i mellemtiden, kaster kometer indad og får til gengæld et lillebitte skub udad. Uranus og Saturn bevæger sig også meget langsomt udad i denne proces.

"Lige nu taler vi om små mængder af bevægelser, fordi der ikke er meget masse tilbage, " sagde Levison.

Sjov fakta:Det rumfartøj, der har set flest kometer, er NASAs Solar &Heliospheric Observatory (SOHO), mest berømt for sin undersøgelse af solen. SOHO har set Solen "æde" tusindvis af kometer, hvilket betyder, at disse små verdener sprøjtede materiale i den indre del af solsystemet på deres rejse for at blive til Solens middag.

Farer for Jorden

Asteroider kan stadig udgøre en kollisionsfare for planeterne, inklusive vores egen.

Mens trojanerne sidder fast som Jupiter groupies, Bennu, målet for OSIRIS-REx-missionen, er en af ​​de mest potentielt farlige asteroider for Jorden, der i øjeblikket er kendt, selvom dets odds for at kollidere med Jorden stadig er relativt små; forskere vurderer, at Bennu har en ud af 2, 700 chance for at påvirke vores planet under en af ​​dens tætte tilgange til Jorden i slutningen af ​​det 22. århundrede. Lige nu, videnskabsmænd kan forudsige Bennus vej ret præcist gennem år 2135, når asteroiden vil lave en af ​​sine tætte passager forbi Jorden. Nære observationer af OSIRIS-REx vil få et endnu strammere håndtag på Bennus rejse, og hjælpe videnskabsmænd, der arbejder på at beskytte vores planet mod farlige asteroider, for bedre at forstå, hvad der skal til for at aflede en på en nedslagsbane.

"Vi udvikler en masse teknologier til at arbejde med præcision omkring den slags kroppe, og målrette mod steder på deres overflader, samt karakterisering af deres overordnede fysiske og kemiske egenskaber. Du ville have brug for denne information, hvis du ville designe en asteroideafbøjningsmission, " sagde Dante Lauretta, hovedefterforsker for OSIRIS-REx-missionen, baseret på University of Arizona i Tucson.

En anden kommende mission, der vil teste en teknik til at forsvare planeten mod naturligt forekommende kollisionsfarer, er NASAs Double Asteroid Redirection Test (DART) mission, som vil forsøge at ændre en lille asteroides bevægelse. Hvordan? Kinetisk påvirkning – med andre ord, kolliderer med noget, men på en mere præcis og kontrolleret måde, end naturen gør det.

DARTs mål er Didymos, en binær asteroide sammensat af to objekter, der kredser om hinanden. Den større krop er omkring en halv mil (800 meter) på tværs, med en lille måne, der er mindre end en tiendedel af en mile (150 meter) bred. En asteroide af denne størrelse kan resultere i udbredt regional skade, hvis man skulle ramme Jorden. DART vil bevidst styrte sig selv ind i måneletten for lidt at ændre det lille objekts omløbshastighed. Teleskoper på Jorden vil derefter måle denne ændring i hastighed ved at observere den nye tidsperiode, det tager månen at fuldføre en bane rundt om hovedlegemet, hvilket forventes at være en ændring på mindre end en brøkdel af en procent. Men selv den lille ændring kunne være nok til at få en forudsagt nedslagskraft til at savne Jorden i et fremtidigt påvirkningsscenarie. Rumfartøjet, bygges af Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, er planlagt til lancering i foråret-sommeren 2021.

Didymos og Bennu er blot to af de næsten 19, 000 kendte jordnære asteroider. Der er over 8, 300 kendte jordnære asteroider på størrelse med Didymos måne og større, men videnskabsmænd anslår, at omkring 25, 000 asteroider i det størrelsesinterval findes i det nære Jord-rum. Rumteleskopet hjælper videnskabsmænd med at opdage og forstå den slags objekter, herunder potentielle farer, kaldes NEOWISE (som står for Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer).

"For de fleste asteroider, vi ved lidt om dem bortset fra deres kredsløb og hvor lyse de ser ud. Med NEOWISE, vi kan bruge varmen fra genstandene til at give os en bedre vurdering af deres størrelse, " sagde Amy Mainzer, hovedefterforsker af NEOWISE, baseret på NASAs Jet Propulsion Laboratory. "That's important because asteroid impacts can pack quite a punch, and the amount of energy depends strongly on the size of the object."

Small Worlds as Pit Stops, Resources for Future Exploration

There are no gas stations in space yet, but scientists and engineers are already starting to think about how asteroids could one day serve as refueling stations for spacecraft on the way to farther-flung destinations. These small worlds might also help astronauts restock their supplies. For eksempel, Bennu likely has water bound in clay minerals, which could perhaps one day be harvested for hydrating thirsty space travelers.

"In addition to science, the future will indeed be mining, " Green said. "The materials in space will be used in space for further exploration."

How did metals get on asteroids? As they formed, asteroids and other small worlds collected heavy elements forged billions of years ago. Iron and nickel found in asteroids were produced by previous generations of stars and incorporated in the formation of our solar system.

These small bodies also contain heavier metals forged in stellar explosions called supernovae. The violent death of a star, which can lead to the creation of a black hole, spreads elements heavier than hydrogen and helium throughout the universe. These include metals like gold, silver and platinum, as well as oxygen, carbon and other elements we need for survival. Another kind of cataclysm—the collision of supernova remnants called neutron stars—can also create and spread heavy metals. In this way small bodies are also forensic evidence of the explosions or collisions of long-dead stars.

Because of big things, we now have a lot of very small things. And from small things, we get big clues about our past—and possibly resources for our future. Exploring these objects is important, even if they aren't planets.

They are small worlds, trods alt.