Catching Stardust, un nouveau livre de Natalie Starkey, explore notre relation avec les comètes et les astéroïdes.
(Image: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey participe activement à la recherche en sciences spatiales depuis plus de 10 ans. Elle a été impliquée dans des missions spatiales de retour d'échantillons, telles que NASA Stardust et JAXA Hayabusa, et elle a été invitée à être co-investigatrice dans l'une des équipes d'instruments pour la mission révolutionnaire de comète ESA Rosetta.
Son nouveau livre, "Catching Stardust", examine ce que nous découvrons à propos des comètes et des astéroïdes - comment nous les apprenons et ce que les roches poussiéreuses et glacées ont à partager sur les origines du système solaire. Lisez un Q & A avec Starkey sur son nouveau livre ici.
Vous trouverez ci-dessous un extrait du chapitre 3 de «Catching Stardust». [Meilleures rencontres rapprochées du genre comète]
Comètes et astéroïdes sur Terre
Au cours des 50 dernières années, l'instrumentation spatiale est devenue de plus en plus avancée car les humains ont recherché un nombre varié d'objets différents dans notre système solaire pour imager, mesurer et échantillonner. Les humains ont réussi à placer un rover pleinement fonctionnel sur la planète Mars pour parcourir sa surface, forer et collecter des échantillons pour analyser à bord sa cargaison d'instruments scientifiques. Un laboratoire scientifique sophistiqué a également été envoyé dans l'espace lors d'un voyage d'une décennie pour rattraper et atterrir sur une comète à grande vitesse pour effectuer des analyses de ses roches, glaces et gaz. Et ceci pour ne citer que quelques-uns des faits saillants les plus récents de l'exploration spatiale. Cependant, malgré ces avancées et ces réalisations étonnantes, les instruments scientifiques les meilleurs et les plus faciles à contrôler existent sur Terre. Le problème est que ces instruments terrestres ne peuvent pas être envoyés dans l'espace très facilement - ils sont trop lourds et sensibles pour être lancés à bord d'une fusée et ils ont besoin de conditions presque parfaites pour fonctionner avec précision et exactitude. L'environnement spatial n'est pas un lieu convivial, avec des extrêmes de température et de pression importants, des conditions qui ne sont pas adaptées aux instruments de laboratoire délicats et parfois capricieux.
Le résultat est qu'il y a souvent de nombreux avantages à ramener des échantillons de roche spatiale sur Terre pour une analyse minutieuse, réfléchie et précise, par opposition à la tentative de lancer des instruments de laboratoire avancés dans l'espace. Le problème majeur, cependant, est que la collecte de roches dans l'espace et leur retour en toute sécurité sur Terre n'est pas une tâche simple non plus. En fait, le retour d'échantillons de l'espace n'a été réalisé que quelques fois: de la Lune avec les missions Apollo et Luna dans les années 1970, de l'astéroïde Itokawa avec la mission Hayabusa et de la comète 81P / Wild2 avec la mission Stardust. Bien que des centaines de kilogrammes de roche lunaire aient été retournés sur Terre, les missions Hayabusa et Stardust n'ont renvoyé que des quantités infimes d'échantillon de roche - des fragments de taille de poussière pour être précis. Pourtant, de minuscules échantillons sont certainement meilleurs que pas d'échantillons, car même les petites roches peuvent contenir une immense quantité d'informations dans leurs structures - des secrets que les scientifiques peuvent débloquer avec leurs instruments scientifiques hautement spécialisés sur Terre. [Comment attraper un astéroïde: la mission de la NASA expliquée (infographie)]
La mission Stardust, en particulier, a fait beaucoup pour approfondir nos connaissances sur la composition des comètes. Les échantillons de poussière de comète qu'il a renvoyés sur Terre occuperont les scientifiques pendant de nombreuses décennies à venir, malgré leur masse limitée. Nous en apprendrons davantage sur cette mission et les précieux échantillons qu'elle a recueillis au chapitre 7. Heureusement, il y a des plans futurs pour la collecte de roches depuis l'espace, certaines missions étant déjà en route et d'autres en attente de financement. Ces missions comprennent des visites d'astéroïdes, de la Lune et de Mars, et bien qu'elles puissent toutes être des entreprises risquées sans aucune garantie qu'elles atteindront leurs objectifs, il est bon de savoir qu'il y a de l'espoir pour le retour d'échantillons de l'espace pour une analyse terrestre. A l'avenir.
L'arrivée des roches spatiales sur Terre
Heureusement, il s'avère qu'il existe un autre moyen d'obtenir des échantillons de roches spatiales et cela n'implique même pas de quitter les confins sûrs de la Terre. En effet, les roches spatiales tombent naturellement sur Terre en tant que météorites tout le temps. En fait, quelque 40 000 à 80 000 tonnes de roches spatiales tombent sur notre planète chaque année. Ces échantillons d'espace libre peuvent être comparés aux œufs Kinder cosmiques - ils sont emballés avec des prix célestes, des informations sur notre système solaire. Les météorites peuvent inclure des échantillons d'astéroïdes, de comètes et d'autres planètes, dont la plupart n'ont pas encore été échantillonnés par des vaisseaux spatiaux.
Des milliers de tonnes de roches spatiales arrivant sur Terre chaque année, la majorité sont assez petites, principalement de la taille d'une poussière, dont nous en apprendrons plus au chapitre 4, mais certaines roches individuelles peuvent être assez grandes. Certaines des plus grandes météorites pierreuses à arriver sur Terre pesaient jusqu'à 60 tonnes, ce qui équivaut à peu près à cinq bus à impériale. Les météorites peuvent provenir de n'importe où dans l'espace, mais il s'agit généralement de roches d'astéroïdes que l'on trouve le plus souvent sur Terre sous forme de morceaux de galets, bien que des morceaux de comètes et de planètes puissent également apparaître. Des morceaux d'astéroïdes peuvent finir par se précipiter vers la Terre après s'être détachés de leur plus grand astéroïde parent dans l'espace, souvent lors de collisions avec d'autres objets spatiaux, ce qui peut les amener à se désagréger complètement ou à faire tomber de petits morceaux de leurs surfaces. Dans l'espace, une fois que ces petits échantillons d'astéroïdes se sont détachés de leur roche mère, ils sont appelés météroïdes et ils peuvent passer des centaines, des milliers, voire des millions d'années à voyager dans l'espace jusqu'à entrer en collision avec une lune, une planète ou le soleil. Lorsque la roche pénètre dans l'atmosphère d'une autre planète, elle devient un météore et si et lorsque ces pièces atteignent la surface de la Terre, ou la surface d'une autre planète ou de la Lune, elles deviennent des météorites. Il n'y a rien de magique dans une roche spatiale entrante qui se transforme en météorite, c'est simplement un nom que la roche reçoit lorsqu'elle devient stationnaire à la surface du corps qu'elle rencontre. [Tempêtes de météores: comment fonctionnent les affichages surdimensionnés des «étoiles filantes» (infographie)]
Si toutes ces roches spatiales arrivent naturellement sur Terre gratuitement, alors vous vous demandez peut-être pourquoi les scientifiques se donnent la peine de visiter l'espace pour tenter un échantillonnage. Malgré le fait que les roches tombant sur Terre échantillonnent une gamme beaucoup plus large d'objets du système solaire que les humains peuvent visiter dans de nombreuses vies, ces échantillons ont tendance à être biaisés vers ceux qui peuvent mieux survivre aux effets durs de l'entrée atmosphérique. Le problème se pose en raison des changements extrêmes de température et de pression subis par une roche ou tout autre objet lors de l'entrée atmosphérique de l'espace vers la Terre, variations suffisamment importantes pour effacer totalement une roche dans de nombreux cas.
Les changements de température lors de l'entrée dans l'atmosphère se produisent en raison directe de la vitesse élevée d'entrée de l'objet, qui peut aller de 10 km / s à 70 km / s (25 000 mph à 150 000 mph). Le problème pour la roche spatiale entrante lors de ses déplacements à ces vitesses hypersoniques est que l'atmosphère ne peut pas se déplacer assez rapidement. Un tel effet est absent quand une roche se déplace dans l'espace, simplement parce que l'espace est un vide, donc il y a trop peu de molécules présentes pour se heurter. Une roche voyageant dans une atmosphère a un effet de tremblement et de compression sur les molécules qu'elle rencontre, les amenant à s'accumuler et à se dissocier en leurs atomes. Ces atomes s'ionisent pour produire un linceul de plasma incandescent qui est chauffé à des températures extrêmement élevées - jusqu'à 20 000 degrés C (36 032 ° F) - et enveloppe la roche spatiale, la faisant surchauffer. Le résultat est que la roche semble brûler et briller dans l'atmosphère; ce qu'on pourrait appeler une boule de feu ou une étoile filante, selon sa taille.
Les effets de ce processus entraînent un changement physique notable dans la roche entrante, un changement qui nous permet en fait plus facilement d'identifier quand il devient une météorite à la surface de la Terre. C'est-à-dire, la formation d'une croûte de fusion, qui se développe lorsque la roche pénètre dans la basse atmosphère et est ralentie et chauffée par friction avec l'air. La partie externe de la roche commence à fondre et le mélange de liquide et de gaz qui se forme est balayé à l'arrière de la météorite, emportant la chaleur avec elle. Bien que ce processus soit continu et signifie que la chaleur ne peut pas pénétrer la roche (agissant ainsi comme un bouclier thermique), lorsque la température baisse finalement, le bouclier thermique fondu se solidifie lorsque le dernier liquide restant se refroidit à la surface de la roche pour former la fusion croûte. L'écorce noire, souvent brillante, qui en résulte sur les météorites est une caractéristique distinctive qui peut souvent être utilisée pour aider à les identifier et à les distinguer des roches terrestres. La formation de la croûte de fusion protège les parties internes de la météorite des pires effets de la chaleur, préservant la composition de l'astéroïde parent, de la comète ou de la planète dont elle est issue. Cependant, bien que les météorites ressemblent étroitement à leurs parents, elles ne correspondent pas exactement. Au cours de la formation de la croûte de fusion, la roche perd certains de ses composants les plus volatils au fur et à mesure qu'elle s'évapore avec les changements extrêmes de température subis dans les couches externes de la roche. La seule façon d'obtenir un échantillon «parfait» serait d'en prélever un directement à partir d'un objet spatial et de le renvoyer dans un vaisseau spatial. Cependant, comme les météorites sont des échantillons gratuits de l'espace, et certainement plus abondants que les échantillons retournés par les missions spatiales, ils offrent aux scientifiques une excellente occasion de découvrir de quoi sont réellement faits les astéroïdes, les comètes et même d'autres planètes. Ils sont fortement étudiés sur Terre pour cette raison. [6 faits amusants sur la comète Pan-STARRS]
Malgré la formation d'une croûte de fusion, les effets de l'entrée atmosphérique peuvent être assez rudes et destructeurs. Les roches dont la résistance à la compression ou à l'écrasement est plus faible sont moins susceptibles de survivre à l'expérience; si un objet survit à la décélération dans l'atmosphère, alors sa résistance à la compression doit être supérieure à la pression aérodynamique maximale qu'il subit. La pression aérodynamique est directement proportionnelle à la densité locale de l'atmosphère, qui dépend de la planète que rencontre un objet. Ainsi, par exemple, Mars a une atmosphère plus mince que la Terre qui n'agit pas autant pour ralentir les objets entrants et explique pourquoi les ingénieurs spatiaux doivent réfléchir très attentivement à l'atterrissage de vaisseaux spatiaux à la surface de la planète rouge, car leurs systèmes de décélération ne peuvent pas être prétesté sur Terre.
La résistance à la compression d'une roche est contrôlée par sa composition: sa proportion de minéraux de roche, de métaux, de matières carbonées, de phases volatiles, de la quantité d'espace interstitiel et de la façon dont ses matériaux composants sont emballés ensemble. Par exemple, les roches spatiales robustes, telles que celles des astéroïdes riches en fer, ont tendance à survivre aux changements extrêmes de température et de pression alors qu'elles déferlent à grande vitesse dans l'atmosphère terrestre. Les météorites caillouteuses sont également assez robustes, même lorsqu'elles contiennent peu ou pas de fer. Bien que le fer soit fort, les minéraux rocheux eux-mêmes peuvent également être très bien liés pour créer un morceau de roche dur. Les météorites qui ont moins de chances de survivre à l’atmosphère intacte sont celles qui contiennent un pourcentage plus élevé de substances volatiles, d’espace poreux, de phases carbonées et de minéraux dits hydratés - ceux qui ont accueilli l’eau dans leur structure de croissance. De telles phases sont très abondantes dans les météorites appelées chondrites carbonées et également dans les comètes. Ces objets sont donc plus sensibles aux effets du chauffage et ne peuvent pas résister aux forces aérodynamiques qu'ils subissent lorsqu'ils voyagent dans l'atmosphère terrestre. Dans certains cas, ils ne sont rien de plus qu'une poignée de neige duveteuse légèrement consolidée avec de la saleté mélangée. Même si vous avez lancé une boule de neige faite d'un tel mélange de matériaux, vous pourriez vous attendre à ce qu'elle se désintègre dans l'air. Cela démontre pourquoi un grand échantillon d'une comète est généralement considéré comme peu susceptible de survivre aux effets de pression et de chauffage durs de l'entrée atmosphérique sans fondre, exploser ou se briser en très petits morceaux. En tant que tel, malgré les grandes collections de météorites sur Terre, les scientifiques ne sont toujours pas certains d'avoir trouvé une grosse météorite spécifiquement d'une comète en raison des structures extrêmement fragiles qu'ils devraient avoir. Le résultat de tout cela est que certaines roches spatiales sont surreprésentées comme des météorites sur Terre simplement parce que leurs compositions résistent mieux aux effets de l'entrée atmosphérique.
Extrait de Catching Stardust: Comets, Asteroids and the Birth of the Solar System par Natalie Starkey. Copyright © Natalie Starkey 2018. Publié par Bloomsbury Sigma, une empreinte de Bloomsbury Publishing. Réimprimé avec permission.
