Звёздная пыль
Сегодня выпуск передачи «Наука и Техника» посвящен вопросам космоплавания. Начнём мы его с рассказа о миссии американского космического агентства НАСА, с успехом завершившейся в середине января 2006 года. Речь идет о проекте Stardust – проекте, оказавшимся уникальным во многих отношениях. Семь лет назад, в феврале 1999 года, с мыса Канаверал стартовала американская ракета Дельта-2 с зондом Stardust на борту. Основная задача миссии заключалась в том, чтобы взять из далекого космоса пробы вещества, сохранившегося в первозданном виде еще со времен возникновения Солнечной системы. В январе этого года капсула со звездной пылью успешно приземлилась в пустыне штата Юта, и вот теперь ученые со всего света смогут приступить к анализу пылинок, доставленных на Землю. Говорит шеф проекта Statdust Дон Браунли (Don Brownlee), профессор университета имени Вашингтона в Сиэтле.
Мы надеемся, что сумеем найти первоначальный строительный материал, из которого возникла наша Солнечная система, узнаем, как конкретно выглядит это вещество, как оно вписывается в ряд уже известных нам элементов. Мы сможем сравнить его с имеющимся в наличии материалом, полученным из метеоритов, а также с уже известной нам звездной пылью, собранной в непосредственной близости от Земли.
В январе 2004 года зонд Stardust, пройдя в двухстах сорока километрах от ядра кометы Вильда-2 (Wild 2), собрал с помощью специальной аэрогелевой ловушки вещество из хвоста кометы. Надо сказать, что ловушка эта устроена не просто. Ее конструкцией, предусмотрено более сотни отделений, заполненных сверхлегким аэрогелем. Каждое из отделений оборудовано захлопывающимся устройством, оберегающим пылинки от возможных повреждений при доставке на Землю. Плотность аэрогеля, состоящего из диоксида кремния и воздушных пузырьков, не превышает 3 мг на 1 куб. см. По своей сути, это «жидкое стекло», однако в тысячу раз менее плотное, чем стекло обычное. Правильнее было бы его назвать «твердым дымом», поскольку на 99,8 % этот аэрогель состоит из воздуха. Основное достоинство этого вещества состоит в том, что оно способно задерживать частички звездной пыли, ударяющие в него со скоростью в шесть раз превышающей скорость пули, без повреждения их внутренней структуры.
Комета Wild-2 провела всю свою жизнь на задворках Солнечной системы. Лишь совсем недавно, после того как она изменила свою траекторию и попала внутрь Солнечной системы, у нас появилась реальная возможность настигнуть ее, чтобы взять пробу из ее хвоста. Миссия Stardust имеет особое значение для науки. Дело в том, что атомы всех элементов, из которых состоит человеческий организм – таких как углерод, кислород, водород и кальций – попали в свое время на Землю из космоса. Кроме того, звездная пыль и межзвездный газ, из которых состоят кометы, являются основными строительными элементами планет нашей солнечной системы.
Комета Wild-2 относится к классу короткопериодических и была открыта в 1978 году швейцарским астрономом Паулем Вильдом (Paul Wild). Она относительно недавно проникла внутрь Солнечной системы. В 1974 году она прошла неподалеку от Юпитера, мощное гравитационное поле которого изменило ее орбиту, и перенесло комету внутрь Солнечной системы, сделав ее тем самым доступной для исследования. Период обращения кометы сократился с 40 до 6 лет, однако звездная пыль, из которой она состоит, не успела еще измениться под влиянием тепла, исходящего от нашего солнца, и осталась в первоначальном девственном состоянии. Комета Вильда пришла к нам из пояса Койпера, лежащего на задворках Солнечной системы и представляющего собой совокупность малых планет, вращающихся вокруг Солнца по орбитам, расположенным за орбитой Нептуна. По оценкам ученых, в поясе Койпера около 70000 объектов с диаметрами более ста километров. В целом это скопление малых тел в сотни раз массивнее пояса астероидов, расположенного между орбитами Юпитера и Марса, но уступает по массе гигантскому кометному Облаку Оорта, простирающемуся на тысячи астрономических единиц от Солнца. Многие ученые считают, что пояс Койпера представляет собой остаток протопланетной туманности, из которой сформировалась Солнечная система. А это значит, что там остался строительный материал, из которого построена и наша планета. Благодаря низким температурам звездная пыль в поясе Койпера законсервировалась в первоначальном виде. И вполне возможно, что песчинки, доставленные на Землю зондом Stardust, по возрасту превосходят наше Солнце и содержат ключ к разгадке тайны формирования Солнечной системы.
Мы используем комету Вильда 2 как своего рода морозильную камеру, в которой в течение четырех с половиной миллиардов лет были законсервированы основные строительные элементы нашей Солнечной системы.
Говорит Дон Браунли (Don Brownlee), ответственный за миссию Stardust при американском космическом агентстве НАСА.
Но как, собственно говоря, представляют себе ученые формирование Солнечной системы? С этим вопросом мы обратились к журналистке и автору научно-популярных статей Дагме Рёрлихь (Dagmar Röhrlich).
Согласно широко распространенной гипотезе в начале существовало молекулярное облако, в котором скапливалась межзвездная пыль, а также материал, попавший во вселенную в результате взрывов звезд. Со временем это облако стало очень большим и тяжелым и начало распадаться под собственным весом. Возможно, что где-то поблизости взорвалась неведомая массивная звезда. Возникшая в результате этого грандиозного разрушительного взрыва ударная волна могла оказаться достаточно сильной, чтобы сжать межзвёздное облако и привести к образованию звезд.
До этого сжатия, первичное межзвёздное облако находилось в равновесии. Силы тяготения, стремившиеся сжать облако, точно уравновешивались давлением газа в нем. Но после сжатия микроскопические пылинки в облаке гораздо ближе подошли друг к другу, так, что плотность облака увеличилась примерно в 100 раз. Увеличение плотности межзвёздной пыли привело к тому, что свет от ближайших звёзд уже не мог проходить через газопылевое облако и нагревать его. Вскоре температура газа приблизилась к абсолютному нулю, и давление, направленное наружу, уже не могло противостоять силе тяготения, направленной внутрь. В результате облако стало постепенно сжиматься. Астрономы нередко обнаруживают холодные, тёмные, сжимающиеся облака межзвёздного газа и пыли, которые находятся на начальных стадиях звездообразования. После такого сжатия, любая случайно возникшая турбулентность могла привести к образованию вихрей.
Эти вихри вызвали распад облака на более мелкие части. Одной из таких медленно вращающихся частей облака суждено было стать нашей Солнечной системой. Так как эта часть облака продолжала сжиматься, её вращение ускорилось, и оно приобретало отчётливо выраженную дискообразную форму. Это была первичная солнечная туманность. Под влиянием тяготения всё больше вещества сжималось к центру диска. Это привело к нагреванию центральной области солнечной туманности и образованию протосолнца. Частицы межзвёздной пыли во внутренних областях первичной туманности вскоре полностью испарились, за исключением особо жароустойчивых минералов. Их называют сегодня пресолярными зернами или звездной пылью. Такие зерна были найдены в составе метеоритов. Теперь ученые хотят проанализировать звездную пыль из кометы, образовавшейся далеко за пределами Солнечной системы и сравнить полученный материал с веществом из метеоритов.
Считается, что пресолярныне зерна возникли либо в результате ядерной реакции в красных гигантах, или же попали в космос после взрыва сверхновых. Позже они стали частью молекулярного облака, из которого, в конце концов, выделилась солнечная туманность, ставшая впоследствии родиной так называемых планетезималей. Согласно одной из распространенных космологических теорий, это произошло следующим образом: после образования протосолнца, температура во внутренних областях солнечной туманности стала падать, и начался процесс конденсации вещества. Первым перешло в твёрдое состояние вещество, формирующее породы. Постепенно под действием тяготения эти комья оседали к центральной плоскости солнечной туманности. К концу этой стадии большая часть твёрдого вещества солнечной туманности распределилась в гигантский плоский слой с протосолнцем в центре. Но этот протяженный и весьма тонкий слой был неустойчивым. Комки межзвездной пилы постепенно слипались в остероидоподобные объекты размерами в километры - так называемые планетезимали. В близи протосолнца они почти целиком состояли из каменистого вещества. Дальше от протосолнца, где температура была ниже, в них наряду с каменистым веществом входил лёд, а планетозимали в далёких холодных областях включали в себя также замёрзшие метан и аммиак.
Весьма важно выяснить, в какой пропорции были смешаны элементы в этих слоях. Существуют две широко распространенные гипотезы. Одни ученые считают, что планеты Солнечной системы, сформировавшиеся из этих планетозималий, с самого начала состояли преимущественно из близлежащего материала, который значительно отличался по своему составу в зависимости от расстояния до первичного Солнца. Другие утверждают, что материя была сильно перемешана. Анализ космической пыли из кометы Вильда-2 может помочь астрофизикам найти ответ на этот вопрос.
Другой важный вопрос заключается в том, сможет ли анализ звездной пыли пролить свет на процесс возникновения жизни на Земле.
Этот вопрос в настоящее время горячо дебатируется в научном мире. Мы знаем, что в комете Галлея были найдены частицы углерода, водорода, кислорода, углекислого газа, фосфора и серы. Мы знаем, что в комете Tempel-1 были обнаружены аммониак и синильная кислота и что в метеоритах были найдены 79 аминокислот. Таким образом, мы имеем достаточно материала для возникновения жизни.
О том, как будет проходить анализ космического материала, рассказывает профессор Эльмар Йессенбергер (Elmar Jessenberger) директор института планетологии при университете города Мюнстера, в котором будут проводиться анализ частиц Звездной пыли, полученных из хвоста кометы Вильда-2:
Ну, с одной стороны, частицы звездной пыли можно прекрасно рассмотреть в микроскоп. С другой стороны, для их подробного анализа у нас имеется специальный прибор – время-пролетный масс-спектрометр, усовершенствованный специалистами нашего университета.
Около 20-ти частиц звездной пыли, диаметр которых не превышает сотой доли, миллиметра поступили в университет города Мюнстера для анализа. Новая метода, разработанная немецкими учеными, позволяет при помощи время-пролетного масс-спектрометра вторичных ионов, определить химический состав анализируемого материала, не разрушая его. О том, как конкретно происходит анализ, нам расскажет доктор Томас Штефан (Thomas Stephan). Он усовершенствовал этот метод анализа и в настоящее время сотрудничает с четырьмя из шести коллективов ученых, которые получили эксклюзивный доступ к пробам звездной пыли, полученным из хвоста кометы Видьда-2.
Мы обстреливаем наши пробы космической пыли ионами галлия, которые хорошо приспособлены для этих целей, прежде всего, потому что их можно с высокой точностью сфокусировать на пробе материала. Диаметр ионного луча составляет всего 0,2 микрометра, то есть две тысячных миллиметра. Благодаря такому крошечному диаметру мы можем очень тщательно «прощупать» анализируемый образец. Из пробы звездной пыли ионным лучом выбивается вещество в форме ионов, заряженных атомов и молекул, которое затем исследуются в масс-спектрометре. Масс-спектрометр определяет массу полученных таким способом частиц. На основании данных о массе вторичных ионов мы можем определить, с атомами какого конкретного изотопа химического элемента мы имеем дело.
Пульсирующий ионный луч работает по принципу пескоструйного аппарата, используемого для очистки тонких материалов. Сильное электрическое поле направляет выбитые из пробы вторичные ионы в двухметровую металлическую трубу. Там происходит процесс их сортировки по массе. Чем тяжелее отдельные частички, тем медленнее они летят и, соответственно, позже достигают конечной цели. На финишной линии специальный детектор регистрирует количество и время прибытия частичек, поясняет доктор Штефан:
Очень важно при этом точно зарегистрировать время полета вторичных ионов. Именно поэтому наш фотофиниш имеет временное разрешение в 100 пикосекунд.
Что соответствует одной десятимиллиардной доле секунды. Этого времени вполне достаточно, чтобы отличить ион окиси магния от ионов кальция или ионы окиси кальция от ионов железа. Разница массы между этими парами элементов составляет всего лишь 0,4 промилле.
Что ж нам остается только пожелать успеха ученым в их работе и поздравить инженеров из американского космического агентства НАСА с успешным завершением уникальной в своем роде миссии. А ведь им и вправду есть, чем гордиться. Во-первых, миссия зонда Stardust стала самой далекой в истории космонавтики миссией, вернувшейся на Землю с образцами твердой материи из глубокого космоса. Во-вторых, зонд Stardust поставил рекорд удаления от Солнца для аппаратов, использующих энергию солнечных батарей,— 2,72 астрономической единицы, что составляет, примерно, 407 миллионов километров. И в третьих, капсула с пробами, отделившаяся от самого зонда на околоземной орбите, поставила еще один рекорд — рекорд скорости входа космического аппарата в земную атмосферу.