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Die Geschichte des Staubs durch Raum und Zeit

Die Geschichte des Staubs durch Raum und Zeit

Was ist staub

Es ist lächerlich, nur diese Frage in Indien zu stellen. Staub ist überall. Auf den Straßen, in deiner Nase, in deinen Lungen. Sie sperren Ihr Haus ein, machen einen Monat lang Urlaub und kommen zurück, und auf dem Tisch liegt eine schöne Patina. Es befindet sich in Ihrem Laptop und steuert die Lüftermuttern.

Es ist auch in der Atmosphäre, im Orbit um die Erde, sogar im Weltraum. Es macht albtraumhafte Stürme auf dem Mars. Philip Pullman und Steven Erikson haben Bücher darüber geschrieben. Staub ist allgegenwärtig. (Die einzigen staubfreien Stellen, die ich gesehen habe, sind auf Lagerfotos, die im Internet verstreut sind.)

Aber was genau ist es und woher kommt alles?

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Erde

Die Sahara-Staubwolke im Juni 2018. Bildnachweis: NASA / Earth Observatory

Die Sahara-Staubwolke im Juni 2018. Bildnachweis: NASA / Earth Observatory

Staub ist Feinstaub. Es stammt aus einer Vielzahl von Quellen. Der atmosphärische – oder äolische – Staub, den wir so gut kennen, besteht aus kleinen Partikeln, die von festen Gegenständen abgeschert werden. Zum Beispiel führen schnellwindende Winde Partikel aus lockerem, trockenem Boden in die Luft und erzeugen so genannten flüchtigen Staub. Eine andere Quelle ist der Rauch von Auspuffrohren.

Ein weiteres sind Milben der Familie Pyroglyphidae. Sie essen Hautflocken, auch solche, die von Menschen vergossen werden, und verdauen sie mit Enzymen, die in ihrem Kot bleiben. In Ihrem Haus kann die Exposition gegenüber ihrem Kot (als eine Form von Staub angesehen) Asthmaanfälle auslösen.

Winde heben Feinstaub von der Erdoberfläche ab und transportieren sie in die Troposphäre. Sobald Staub aufgetaucht ist, wirkt er wie ein Aerosol, das die Wärme darunter einschließt und die Erdoberfläche erwärmt. Sobald es sich in ausreichender Menge sammelt, beeinflusst es das Wetter darunterliegender Regionen, einschließlich der Niederschlagsmuster.

Staubpartikel, die kleiner als 10 Mikrometer sind, gelangen in Ihre Lunge und beeinträchtigen die Gesundheit der Atemwege. Sie verschwören sich mit anderen Schadstoffen und stagnieren während des Winters in Indiens National Capital Region. Partikel, die kleiner als 2,5 Mikrometer sind, „erhöhen das altersspezifische Sterblichkeitsrisiko“ (Quelle) und schicken die Krankenhauseinweisungen in die Höhe.

Es gibt auch Staub, der Tausende von Kilometern zurücklegt, um weit entfernte Teile der Welt zu beeinflussen. Laut einer Studie ist die „Sahara die weltweit größte Quelle für Wüstenstaub“. Im Juni dieses Jahres erlebte das tropische Gebiet des Atlantischen Ozeans seine staubigste Zeit seit 15 Jahren, als ein gewaltiger Wind aus dem Nordosten des Tschad in Richtung Mittelamerika brach. Laut dem Erdbeobachtungszentrum der NASA hilft Sahara-Staub "beim Bau von Stränden in der Karibik und beim Düngen der Böden im Amazonas."

Aber wenn man von Staub spricht, der über große Entfernungen wandert, scheint der transatlantische Nebel weniger eine Reise zu sein als der Staub, den Meteoriten, die Hunderttausende von Kilometern durch den Weltraum gefahren sind, auf die Erde gebracht haben. Wenn diese Steine ​​in Richtung Boden streifen, verbrennt die Atmosphäre staubartige Materie von ihren Oberflächen und lässt sie in der oberen Atmosphäre hängen.

Atome, die von diesen Partikeln in die Mesosphäre freigesetzt werden, driften in das Zirkulationssystem des Planeten ein und bewegen sich über Monate hinweg von Pol zu Pol. Sie interagieren mit anderen Teilchen, um eine Spur geladener Teilchen zu hinterlassen. Wissenschaftler verwenden dann Radar, um diese Partikel zu verfolgen, um mehr über die Zirkulation selbst zu erfahren. Einige Staubpartikel außerirdischen Ursprungs erreichen mit der Zeit auch die Erdoberfläche. Sie könnten Abdrücke physikalischer und chemischer Reaktionen mit sich bringen, die sie möglicherweise schon vor Milliarden von Jahren im Weltraum erlebt haben.

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Orbit

Staub in der Andromeda-Galaxie, gesehen vom Spitzer-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / K. Gordon (Universität von Arizona)

Staub in der Andromeda-Galaxie, gesehen vom Spitzer-Weltraumteleskop. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / K. Gordon (Universität von Arizona)

Mitte des 20. Jahrhunderts nutzten die Forscher optische Daten und mathematische Argumente, um zu ermitteln, dass jedes Jahr etwa vier Millionen Tonnen Meteorstaub in die Atmosphäre unseres Planeten geschleudert wurden. Dies war Anlass zur Besorgnis: Die Zahl deutete darauf hin, dass die Anzahl der Meteoriten im Weltraum viel höher war als gedacht. Die Bedrohung unserer Satelliten hätte wiederum unterschätzt werden können. Sorgfältigere Beurteilungen brachten die Zahl später herunter. Eine Überprüfung aus dem Jahr 2013 besagt, dass täglich 10 bis 40 Tonnen Meteorstaub in die Erdatmosphäre gelangen.

Dennoch ist diese Zahl nicht niedrig – und ihre Auswirkungen werden durch die Trümmer verstärkt, die die Menschen selbst in den Orbit um die Erde bringen. Der Wikipedia-Artikel zu "Weltraummüll" bemerkt sorgfältig: "Bis zum…. Juli 2016 verfolgte das Strategic Command der Vereinigten Staaten insgesamt 17.852 künstliche Objekte im Orbit über der Erde, darunter 1.419 operationelle Satelliten." Aber nur eine Zeile später die Anzahl von Objekten, die kleiner als 1 cm sind, explodiert 170 Millionen.

Wenn ein Staubkorn mit einem Gewicht von 0,00001 kg, der von einer Brise von 1,4 m / s getragen wird, auf Ihr Gesicht trifft, werden Sie nichts fühlen. Dies liegt daran, dass sein Impuls – das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit – sehr niedrig ist. Wenn jedoch ein einhundertstel Gramm schweres Teilchen mit einer relativen Geschwindigkeit von 1,5 km / s auf einen Satelliten trifft, springt sein Impuls um das Tausendfache. Plötzlich kann er kritische Komponenten und sensibel konstruierte Oberflächen beschädigen, was zu mehrjährigen, mehrjährigen Missionen in Millionenhöhe führt. Eine Studie legt nahe, dass solche Partikel, wenn sie schnell genug sind, auch kleine Schockwellen erzeugen können.

Bevor wir auf der Dust Voyage anhalten, machen wir eine kleine Pause im Sci-Fi. Die Überschätzung des meteorischen Staubflusses in der Mitte des Jahrhunderts hat Arthur C. Clarke möglicherweise veranlasst, seinen Roman von 1961 zu schreiben: Ein Fall von Mondstaub. In der Geschichte nannte ein Kreuzfahrtschiff die Selene nimmt Touristen über ein Becken mit feinstem Staub, der anscheinend meteorischen Ursprungs ist. Aber eines Tages verursacht eine Naturkatastrophe das Selene in den Staub sinken und seine Passagiere in lebensbedrohlichen Zuständen einklemmen. Nach viel Verzweiflung findet eine Rettungsmission statt, als ein Astronom aus dem Weltraum einen Heat-Trail entdeckt, der auf den Ort der Selene zeigt, von einem Raumschiff aus Lagrange II.

Dieser Name verweist auf die berühmten Lagrange-Punkte. Während die Erde die Sonne umkreist und der Mond die Erde umkreist, ergeben ihre kombinierten Gravitationsfelder fünf Punkte im Weltraum, an denen die auf ein Objekt wirkende Kraft genau richtig ist, damit es seine Position relativ zur Erde und zur Sonne beibehält. Diese heißen L1, L2, L3, L4 und L5.

Ein Konturdiagramm des effektiven Potentials des Erde-Sonne-Systems mit den fünf Lagrange-Punkten. Gutschrift: NASA und Xander89, CC BY 3.0

Ein Konturdiagramm des effektiven Potentials des Erde-Sonne-Systems mit den fünf Lagrange-Punkten. Gutschrift: NASA und Xander89, CC BY 3.0

Die indische Weltraumforschungsorganisation (ISRO) plant, ihren Satellit Aditya zur Untersuchung der Sonne auf L1 zu starten. Dies ist nützlich, weil bei L1 der Blick von Aditya auf die Sonne nicht durch die Erde blockiert wird. Objekte an L1, L2 und L3 haben jedoch ein instabiles Gleichgewicht. Ohne ab und zu stationäre Maßnahmen fallen sie oft aus ihren Positionen heraus.

Dies ist jedoch bei L4 und L5 nicht der Fall, bei denen Objekte in einem stabileren Gleichgewicht bleiben. Und wie alles, was schon eine Weile herumliegt, sammeln sie Staub.

In den fünfziger Jahren behauptete der polnische Astronom Kazimierz Kordylewski, bei L4 und L5 zwei Staubwolken entdeckt zu haben. Diese nebelartigen Ansammlungen von Feinstaub werden seitdem als Kordylewski-Wolken bezeichnet. Andere Astronomen haben jedoch ihre Existenz bestritten. Beispielsweise konnte der Satellit von Hiten im Jahr 2009 keine nennenswerten Staubkonzentrationen in den Regionen L4 und L5 finden. Einige argumentierten, dass Hiten sie vermisst haben könnte, weil die Staubwolken zu weit auseinanderliegen.

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Platz

Der Eindruck eines Künstlers von Staubbildung während einer Supernova-Explosion. Bildunterschrift und Kredit: ESO / M. Kornmesser, CC BY 4.0

Ein künstlerischer Eindruck der Staubbildung während einer Supernova-Explosion. Bildunterschrift und Kredit: ESO / M. Kornmesser, CC BY 4.0

Vor nur zwei Wochen haben ungarische Astronomen behauptet, Staubwolken in diesen Regionen (ihre Papiere hier und hier) bestätigt zu haben. Da die L4- und L5-Regionen für zukünftige Weltraummissionen von Interesse sind, müssen Astronomen diesen Befund nun bestätigen und – falls sie dies tun – die Staubdichte und die damit einhergehenden Bedrohungswahrscheinlichkeiten bewerten.

Im Gegensatz zu Kordylewski, der Fotos von einem Berggipfel aus machte, setzte die ungarische Gruppe auf die Fähigkeit von Staub, Licht polarisieren zu können. Licht ist elektromagnetische Strahlung. Jede Lichtwelle besteht aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die senkrecht zueinander schwingen. Stellen Sie sich verschiedene Lichtwellen vor, die sich Staub nähern, und ihre elektrischen Felder zeigen in beliebige Richtungen. Nach dem Auftreffen auf den Staub polarisieren die Teilchen jedoch die Wellen, wodurch sich alle elektrischen Felder in einer bestimmten Ausrichtung ausrichten.

Wenn Astronomen solches Licht entdecken, wissen sie, dass es Staub auf seinem Weg getroffen hat. Mit verschiedenen Instrumenten und Analysetechniken können sie dann die Staubverteilung im Raum abbilden, durch die das Licht hindurchgelangt ist.

So gelang es beispielsweise dem Planck-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation, Staub in der Umgebung der Milchstraße zu erkennen.

Eine Staubkarte in und um die Milchstraße, wie sie vom ESA-Planck-Teleskop beobachtet wird. Gutschrift: NASA

Eine Staubkarte in und um die Milchstraße, wie sie vom ESA-Planck-Teleskop beobachtet wird. Gutschrift: NASA

Das sind Milliarden von Milliarden Tonnen. Vergleichst du nicht deine Beschwerden über Staub rund um das Haus?

Und selbst auf dieser Skala war es ein Ärgernis. Wir wissen nicht, ob die Galaxie sich beschwert, aber Brian Keating hat es sicherlich getan.

Im März 2014 gaben Keating und sein Team am Centre for Astronomy der Harvard University bekannt, dass sie Anzeichen dafür gefunden hatten, dass das Volumen des Universums in nur 10 bis 33 Sekunden einen Moment nach seiner Geburt im Urknall um den Faktor 1080 gestiegen war. Ungefähr 380.000 Jahre später entstand die vom Urknall übrig gebliebene Strahlung – der so genannte kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) -. Keating und co. verwendeten den BICEP2-Detektor am Südpol, um Abdrücke der kosmischen Inflation auf der CMB zu finden. Die rauchende Kanone: Licht einer bestimmten Wellenlänge, die durch Gravitationswellen aus dem frühen Universum polarisiert wurde.

Während die Ankündigung mit großer Begeisterung gemacht wurde – als „Entdeckung des Jahrzehnts“ und was nicht, wurde ihre Behauptung schnell verdächtig. Daten des Planck-Teleskops und anderer Observatorien zeigten bald, dass das von Keating gefundene Team tatsächlich von galaktischem Staub polarisiertes Licht war. Ihr Ehrgeiz, einen Nobelpreis zu gewinnen, brach zusammen. Asche zu Asche, Staub zu Staub.

Sie fragen wahrscheinlich: Hat das nicht genug getan? Können wir jetzt aufhören? “Nein. Wir müssen ausharren, denn Staub hat noch mehr getan und wir sind uns so nahe gekommen. Schauen Sie sich zum Beispiel die Staubkarte der Milchstraße an. Woher könnte all dieser Staub kommen?

Hier nimmt die Geschichte des Staubes eine günstigere Wendung. Wir haben alle gehört, dass es aus Sternenstaub besteht. Es wäre zwar vergeblich zu versuchen zu verfolgen, wo der Staub von uns herkommt, aber um Staub selbst zu verstehen, müssen wir zu den Sternen schauen.

Die Stürme auf der Erde oder auf dem Mars, die Staub in die Luft rühren, sind schwache Atemzüge gegen die kolossalen Turbulenzen der Zerstörung der Sterne. Sterne können je nach Größe auf viele verschiedene Arten sterben. Die Supernovae sind die spektakulärsten. In einer Standard-Supernova vom Typ 1a durchläuft ein ganzer weißer Zwergstern eine Kernfusion, die sich vollständig auflöst und mit über 5.000 km / s Materie ausstößt. Massivere Sterne erleiden einen Kernkollaps, der ihre äußersten Schichten in einem Todesniesen in den Weltraum stößt, bevor das, was übrig bleibt, in einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch implodiert.

Wie auch immer, das in den Weltraum freigesetzte Material bildet riesige Wolken, die sich über Jahrmillionen langsam verteilen. Wenn sie sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs befinden, werden sie in einer Akkretionsscheibe eingeschlossen, beschleunigt, erhitzt und durch Strahlung und Magnetfelder erregt. Die glücklicheren Motive können davonfliegen, um auf andere Sterne, Planeten oder andere Objekte zu stoßen oder sogar mit anderen Staub- und Gaswolken zusammenzustoßen. Solche Wechselwirkungen sind sehr schwer zu modellieren – aber es besteht kein Zweifel, dass diese Wechselwirkungen alle wesentlich von den vier fundamentalen Naturkräften bestimmt werden.

Eine davon ist die Schwerkraft. Wenn eine Gas- / Staubwolke so groß wird, dass sie durch ihre kollektive Anziehungskraft nicht zerstreut wird, könnte sie zu einem anderen Stern zusammenfallen und eine andere Epoche erleben.

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Zusammen

Der Katzentaschennebel, der hier vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA abgebildet ist, liegt in der Milchstraße und befindet sich im Sternbild Scorpius. Die Entfernung von der Erde wird auf 4.200 und 5.500 Lichtjahre geschätzt. Die grünen Bereiche zeigen Bereiche, in denen die Strahlung heißer Sterne mit großen Molekülen und kleinen Staubkörnern, so genannten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, kollidierte, wodurch sie fluoreszierten. Bildunterschrift und Kredit: NASA / JPL-Caltech, Wikimedia Commons

Der Katzen-Paw-Nebel, der hier vom NASA-Spitzer-Weltraumteleskop abgebildet wurde, liegt zwischen 4.200 Lichtjahren und 5.500 Lichtjahren von der Erde. Die grünen Bereiche zeigen Bereiche, in denen die Strahlung heißer Sterne mit großen Molekülen und kleinen Staubkörnern, so genannten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, kollidierte, wodurch sie fluoreszierten. Bildunterschrift und Kredit: NASA / JPL-Caltech, Wikimedia Commons

Auf diese Weise sind Sterne kosmische Motoren. Sie halten Materie – einschließlich Staub – in Bewegung. Sie sind vielleicht nicht die einzigen, die dies tun, aber angesichts der Anwesenheit von Sternen im (beobachtbaren) Universum spielen sie sicherlich eine große Rolle. Wenn sie nicht zum Leben erweckt werden oder sich daraus lösen, beeinflusst ihre Anziehungskraft die Flugbahnen anderer, kleinerer Körper um sie herum, darunter Kometen, Asteroiden und andere Weltraumgesteine.

Das Sonnensystem selbst gilt als verdichtet aus einer großen Staub- und Staubscheibe, die aus verschiedenen Elementen um eine junge Sonne gebildet wurde – einer Scheibe aus Überresten seit der Geburt des Sterns. Es wurden verschiedene Planeten gebildet, die auf der Verfügbarkeit verschiedener Volumina verschiedener Materialien zu unterschiedlichen Zeiten basieren. Es wird angenommen, dass der Jupiter an erster Stelle steht und die inneren Planeten, einschließlich der Erde, an letzter Stelle stehen.

Aber kein Problem; Das Leben hier hatte alles, was es brauchte, um Wurzeln zu schlagen. Wissenschaftler wissen immer noch, was diese Zutaten sein könnten und welche Herkunft sie haben könnten. Eine Theorie besagt, dass sie Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff, die als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe bezeichnet wurden, enthielten, und dass sie sich zuerst – wie Sie vermuteten – unter dem Staub gebildet haben, der sich durch den Weltraum windet.

Sie könnten dann von Meteoren und Kometen auf die Erde gebracht worden sein, vielleicht durch die Schwerkraft der Sonne in Richtung der Umlaufbahn der Erde geschwenkt werden. Wenn sich ein Komet beispielsweise einem Stern nähert, beginnt das Material auf seiner Oberfläche zu verdampfen und bildet einen streifigen Gas- und Staubschweif. Wenn die Erde eine Region durchläuft, in der die Reste des Schwanzes und andere kleine, steinige Trümmer geblieben sind, treten sie als Meteoritenregen in die Atmosphäre ein.

Staub ist wirklich überall, und er bekommt selten den Kredit, der ihm zusteht. Es war und ist ein lästiger Teil des täglichen Lebens. Im Gegensatz zu unserer Suche nach extraterrestrischer Kameradschaft sind wir jedoch nicht allein, wenn wir uns von Staub belastet fühlen.

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