GEOLOGIJA U SVEMIRU
Pogled na noćno nebo je daleko više od pogleda prema zvijezdama. To je i pogled u prošlost, često i vrlo daleku, jer je svjetlost zvijezda do nas putovalo desetcima, tisućama pa i milijunima godina. Dakle, svjetlost je krenula prema Zemlji u našoj prošlosti, i sada je vidimo kao “poruku” iz tog doba. No, to je svjetlost zvijezda, a što je s planetima? Gotovo svakodnevno otkrivaju se novi ekstrasolarni planeti, i svako-toliko mediji objave da je pronađen planet više ili manje sličan Zemlji. Svemirska istraživanja su dobila novi polet, ali se sve ove spoznaje ipak temelje samo na promatranju svemirskih tijela, što je daleko od SF romana i filmova u kojima istraživači putuju do tih zvijezda i njihovih planeta.
Tekst: dr. Tihomir Marjanac
Foto: www.svs.gsfc.nasa.gov
Pogled na noćno nebo je daleko više od pogleda prema zvijezdama. To je i pogled u prošlost, često i vrlo daleku, jer je svjetlost zvijezda do nas putovalo desetcima, tisućama pa i milijunima godina. Dakle, svjetlost je krenula prema Zemlji u našoj prošlosti, i sada je vidimo kao “poruku” iz tog doba. No, to je svjetlost zvijezda, a što je s planetima? Gotovo svakodnevno otkrivaju se novi ekstrasolarni planeti, i svako-toliko mediji objave da je pronađen planet više ili manje sličan Zemlji. Svemirska istraživanja su dobila novi polet, ali se sve ove spoznaje ipak temelje samo na promatranju svemirskih tijela, što je daleko od SF romana i filmova u kojima istraživači putuju do tih zvijezda i njihovih planeta.
Da bismo bili sigurni da se na nekom svemirskom tijelu jednog dana čovječanstvo može nastaniti, morali bismo znati od čega je ono izgrađeno, od kojih stijena i kojih minerala, ima li vode i u kojem obliku, kakva je geološka aktivnost na tom planetu, ima li aktivnih vulkana, događaju li se potresi, ima li mora i kakav je njihov kemijski sastav, kakav je sastav atmosfere, ima li života, ili barem uvjeta za život? Odgovor na ta pitanja može nam dati geologija, a ona obuhvaća prije svega direktna istraživanja na terenu i na uzorcima s terena. Daljinske metode istraživanja, kao što je analiza satelitskih snimaka pružaju obilje geoloških podataka, ali u ispravnost tumačenja ne možemo biti sigurni bez da indirektna opažanja provjerimo analizom uzoraka stijena prikupljenih na terenu. Dio spoznaja možemo dobiti isključivo analizom stvarnih uzoraka stijena, minerala ili tekućina, jer se drukčije ne može saznati njihov kemijski i izotopni sastav, fosilni sadržaj, starost, okoliš nastanka, itd. Zato mi geolozi “vapimo” za uzorcima!
Možemo slobodno reći da su svi kruti objekti u svemiru; npr. planeti, njihovi sateliti (mjeseci), asteroidi i komete u stvari geološki objekti. Također, to su i mala tijela kao npr. meteoroidi i svemirska prašina. Dakle, svemir je u stvari geološki istraživački poligon, ništa manje nego astronomski. Zato ne čudi interes svemirskih istraživačkih agencija za geološka istraživanja i širina njihovih istraživačkih projekata. Ako smo tijekom prethodnih stoljeća istraživali Zemlju, došao je red na istraživanje svemira. No, svako novo područje istraživanja traži prilagođen pristup, jer nećemo jednako raditi u prašumama, pustinjama i u podmorju, pa niti u svemiru. No, uz neizostavnog čovjeka – istraživača, nasušno je potreban pristup objektu istraživanja; uzorcima stijena i minerala, tekućinama ili taljevinama. Tu mi geolozi ovisimo o drugima, o onima koji će nam pribaviti podatke ili uzorke. Niti ćemo se osobno spuštati u oceanske dubine, niti letjeti u svemir, ali ćemo analizirati uzorke i podatke pribavljene različitim sondama koje nam pribavljaju istraživači drugih profesija.
Prva geološka istraživanja svemirskih tijela u našem planetarnom sustavu započela su već 1969. g. s američkom misijom Apollo, tijekom koje su astronauti prikupili 382 kg uzoraka mjesečevih stijena i donijeli ih na Zemlju, i Sovjetskim misijama Luna iz 1970. – 1976. g. kada su tri robotske sonde prikupile 301 gram uzoraka s površine i poslale ih na Zemlju. To su bili prvi primjerci vanzemaljskih stijena koje smo pribavili ciljanim istraživanjem, uz meteorite koji su nedvojbeno vanzemaljski materijali ali predstavljaju slučajne nalaze. Analize tih uzoraka pružile su nam obilje novih spoznaja o građi nama najbližeg svemirskog tijela – Mjeseca, njegovoj geološkoj povijesti i starosti. Šteta je samo da je zadnji uzorak s Mjeseca pribavljen 9. kolovoza 1976. godine, prije točno 40 godina!
Slika 1: Uzorak mjesečeve stijene kojeg je prikupila posada Apolla 11.
Interes za istraživanje geološke građe planeta srećom nije posve zamro, pa je NASA uputila niz robotskih sondi prema Marsu, od kojih je danas još aktivna sonda Opportunity koja je bila lansirana 2003. g., a na Mars prispjela 2004. g. s misijom koja je trebala trajati samo 90 marsovih dana (oko 92 zemaljska dana). Nju je pratila identična sonda Spirit koja se spustila na drugo područje Marsa i istovremeno s Opportunityjem istraživala njegovu površinu. Obje sonde su na Marsu “odradile” znatno duže istraživanje no što je bilo planirano; sonda Spirit 2695 dana, a Opportunity više od 4598 dana. Surovi uvjeti na Marsu su ipak prouzročili kvarove, pa je Spirit prestao funkcionirati 2011. g., a Opportunity je još uvijek dijelom funkcionalan. Obje sonde su na Zemlju poslale preko 341.500 snimaka! NASA je u nastavku istraživanja Marsa 2011. g. poslala na Mars napredniju robotsku sondu Curiosity, koja je i dalje aktivna. Nove naprednije sonde trenutno razvijaju NASA, CSA (kanadska svemirska agencija), ESA (europska svemirska agencija) i Kina koje bi trebale biti lansirane do 2020. godine. Robotske sonde (“roveri”) na Marsu su obavili ogroman broj analiza tla i stijena, otkrivši minerale koje poznajemo i na Zemlji, što je bilo i očekivano, ali je svejedno bila nužna potvrda. Jedan od velikih uspjeha je identifikacija minerala koji su nastali u prisustvu vode. Snimci s Marsa pokazuju da je taj planet pretrpio mnoge geološke promjene, od vremena kada da su na njegovoj površini postojala mora i rijeke, pa do današnjih ledenih i pustinjskih uvjeta.
Slika 2: Snimak magmatske stijene s kristalima u Gale krateru na Marsu snimljen 2014.
Pažnju istraživača već dugo privlače Jupiterovi i Saturnovi sateliti (mjeseci) jer su geološki aktivni, i na nekima je pronađena voda. Jupiterov mjesec Io smatra se geološki najaktivnijim u sunčevom sustavu, jer se na njegovoj površini nalazi preko 400 aktivnih vulkana, čije je erupcije prva snimila sonda Voyager 1 1979. g.! Bliže istraživanje jupiterovih mjeseca planirano je u sklopu misije Io Volcano Observer za 2021. g. Tada će se sonda približiti na udaljenost od 200-500 km i snimati geološke procese na njegovoj površini.
Slika 3: Snimak erupcije vulkana Tvashtar na jupiterovom mjesecu Io snimljen 2007.
Najzagonetniji “vodeni svijet” je svakako Saturnov mjesec Enceladus (Enkelad), koji je cijeli pokriven ledom za koji se procjenjuje da je debeo 30-40 km, a koji izgleda da pokriva ocean dubok oko 10 km. Vjeruje se da je voda osnovni uvjet za razvoj živog svijeta, pa to dodatno motivira istraživače, ali pred njih stavlja i cijeli niz izazova. Kako istraživati svijet u kojem možda vrvi život, a pri tome ga ne ugroziti niti kontaminirati zemaljskim oblicima života? Zato se tom istraživanju pristupa vrlo oprezno. Lansiranje prve sonde na Enceladus očekuje se oko 2021. g.. Na njegovoj se površini događaju i erupcije gejzira, što istraživanju daje novi zadatak, jer treba otkriti kako ti gejziri nastaju i što je na Enceladusu izvor topline?
Slika 4: Ledena površina Saturnovog mjeseca Enceladus, snimljena 2005.
Naš planetarni sustav sadrži, osim planeta i njihovih satelita, i ogroman broj asteroida koje teško možemo promatrati sa Zemlje zbog njihove velike udaljenosti, male veličine i slabog odraza sunčevog svjetla. Ta tijela su nam slabo poznata, iako vjerujemo da su od njihovog materijala izgrađeni planeti pa i Sunce.
Padovi meteorita su tijekom povijesti bili različito shvaćeni, počev od manifestacije Božje volje, pa do “igre prirode”. Tek nakon pada Hrašćinskog meteorita 1751. g. o kojem je pisao Cassini 1794. g. znanost je prihvatila da meteoriti u stvari predstavljaju svemirsku materiju koja povremeno pada na Zemlju. Do nedavno je analiza meteorita bila jedino moguće direktno istraživanje svemirske materije, a da pri tome nismo morali poslati istraživače u svemir.
Sastav meteorita je pak pokazao da postoje tri osnovna tipa: sideriti (koji su uglavnom izgrađeni od željeza), siderolite (koji su miješanog željeznog i mineralnog sastava) i aerolite (koji su mineralnog sastava, a mogu biti i prave stijene). Ta razlika u sastavu odražava i razlike u njihovom porijeklu; sideriti potječu od jezgara diferenciranih asteroida, sideroliti iz njihovog plašta, a aeroliti iz njihove kore, kore planeta ili mjeseca. Po ovakvoj trodijelnoj građi, diferencirani asteroidi nalikuju na planete. Međutim, aeroliti su najčešća vrsta meteorita, a mogu sadržavati kuglaste nakupine mineralnih zrna (takozvane hondre pa se po njima zove i cijela skupina meteorita – “hondriti”) i takvi su primitivniji od ostalih vrsta meteorita. Vjeruje se da oni potječu od nediferenciranih asteroida, od kojih su u davnoj prošlosti našeg planetarnog sustava nastali svi planeti pa i Sunce. Kažem, vjeruje se – jer neposrednih dokaza za sada nemamo. To se dogodilo prije oko 4 milijarde godina, a iz tog vremena nemamo sačuvane tragove zbivanja u našem dijelu svemira, ali zato možemo promatrati nebo i gledati svjetlost galaktika iz kojih je upravo tada svjetlost krenula prema današnjoj Zemlji. Možda su se i oko njihovih zvijezda stvarali planeti, kao i oko Sunca, pa bi se promatranjem moglo vidjeti i nastanak planetarnih sustava.
Slika 5: Presjek meteorita Allende koji je ugljični hondrit
Asteroidi u sunčevom sustavu očito sadrže informacije o sastavu svemirskih tijela od kojih su izgrađeni planeti, no da bismo to saznali, nije dovoljno samo tražiti meteorite na površini, a još manje čekati da padne novi. Treba se uputiti prema asteroidima i vidjeti izbliza kako izgledaju, istražiti od čega su izgrađeni. To je danas još uvijek lakše reći no učiniti.
Da bismo točno znali kakav je sastav stijena na Zemlji, moramo uzeti uzorak, donijeti ga u laboratorij, razrezati, izbrusiti, otopiti i analizirati. Pa i tada naš trud ne mora dati odgovore na otvorena pitanja, nego naprotiv, može otvoriti nova pitanja i nedoumice. Dakle, ako želimo otkriti od čega su asteroidi izgrađeni, moramo otići do njih, uzeti uzorke, vratiti ih na Zemlju i analizirati. Ali, na Zemlji nije dovoljno popeti se na jednu planinu, uzeti jedan uzorak, vratiti se i analizom dobiti informaciju koja će nam reći od čega je izgrađen naš kraj, a kamo li cijeli planet!
Iako su automatske svemirske sonde dospjele do svih planeta u Sunčevom sustavu, samo je jedna dospjela do jednog asteroida. Bila je to japanska sonda Hayabusha koja je 2005. g. nakon niza tehničkih problema ipak uspjela sletjeti na površinu asteroida Itokawa, prethodno snimivši izvrsne snimke njegove površine, i s površine prikupiti 1500 čestica promjera oko 10 mikrona, koje je potom uspješno vratila na Zemlju 2010. g. Sastav tih čestica odgovara sastavu hondritskih meteorita, a sam asteroid je izgrađen od stijena (vjerojatno malih asteroida) promjera nekoliko metara koji su slijepljene vodenim ledom, na što ukazuje njegova mala gustoća od samo 1,9 g/cm3. Američka sonda Dawn stigla je 2015. g. do Ceresa, najvećeg asteroida, i sada je u njegovoj orbiti odakle ga proučava s udaljenosti od 375 km. Sonda je do sada pružila mnoštvo novih spoznaja o Ceresu, ali su snimci pokazali i neočekivana svijetla područja na površini za koja trenutno nema jednoznačnog tumačenja.
Slika 6: Asteroid Itokawa snimljen 2005. Glatke površine su vodeni led.
NASA planira lansiranje sonde OSIRIS-REx koja bi već u rujnu ove godine trebala poletjeti prema asteroidu Bennu (1999 RQ36). Pretpostavlja se da je Bennu ugljični hondrit koji se nalazi približno u Zemljinoj orbiti pa predstavlja potencijalnu opasnost za Zemlju, jer bi se s njom mogao sudariti u 22. stoljeću, ako bi mu se orbita makar malo promijenila. Premda se taj asteroid nalazi relativno blizu, sonda će do njega putovati 3 godine. Kada uđe u njegovu orbitu, prvo će 6 mjeseci detaljno snimati površinu asteroida s udaljenosti od 5 km, da bi se moglo odabrati najbolje mjesto za spuštanje i prikupljanje uzorka s njegove površine. Za to će se sonda 2020. g. približiti na udaljenost od samo 25 m od površine asteroida i ispružiti mehaničku “ruku” kojom će prikupiti najmanje 60 grama (ali moguće i 2 kilograma) uzorka, vratiti ga u sondu i poslati nazad na Zemlju, kamo bi trebao stići 2023. g. Iako će to nesumnjivo biti veliki uspjeh današnje tehnologije, ne zaboravimo da postoje različiti vrste meteorita, pa i asteroida. Podsjetimo se, ako smo upoznali jednu planinu – nismo ih upoznali sve, pa niti sve asteroide. Dakle, jako smo daleko od sistematskog istraživanja geologije asteroida, ali idemo u tom smjeru.
Od davnina promatrači neba povremeno uočavaju komete, neke spektakularne, a neke opet jedva zamjetne. Njihovim približavanjem Suncu nastaje karakteristični rep u kojem se nalaze nebrojene čestice materije koje su u svemir izbacile erupcije vodene pare s površine jezgre komete. Te su čestice najčešće sitne, ali koliko? Tek najnoviji snimci sonde Rosetta pokazuju da su neke od njih veličine – autobusa! Od ranije se pretpostavljalo da čestice u repu komete nisu veće od zrna pijeska, te da je njihov prolaz kroz zemljinu atmosferu vidljiv kao meteorska kiša (neki kažu i “potoci”).
Meteori su u stvari svjetlosna pojava, bljesak atmosfere koja je usijana na putu kojim je prošao meteoroid – čestica svemirske prašine ili “pijeska”. Mnogi su istraživači sumnjali da su neki meteoroidi znatno veći, jer neki na svom prolasku kroz atmosferu doslovce eksplodiraju, što ponekad prati i kiša meteorita. Na veličinu čestica može ukazivati njihova kinetička energija, pa se tražilo načina da se ona izmjeri. Jedno od očekivanja bilo je da bi se na Mjesecu morali moći vidjeti udari meteoroida kroz čiji roj prolaze Zemlja i Mjesec. Snimanje Mjeseca u vrijeme prolaska meteorskih rojeva Perzeida i Leonida pokazalo je da pojedine čestice udaraju i u Mjesec, a mjerenje njihovih eksplozija omogućilo je procjenu energije udara od otprilike 15.000 kg TNT. Preračunavanjem, uzimajući u obzir brzinu meteoroida pokazalo je da su ti meteoroidi morali biti veliki poput osobnog automobila (masa impaktora koji je udario u Mjesec 2013. g. procijenjena je na 400 kg, a promjer na 0.6 do 1,4 m). Tako veliki meteoroidi mogu u Zemljinoj atmosferi eksplodirati i stvoriti meteorite koji se mogu naći na tlu.
Slika 7: Strelica pokazuje eksploziju nastalu udarom meteoroida u Mjesec, snimljenu 2013.
Osim što su ih svemirske sonde snimile pojedine komete s relativno male udaljenosti, nismo imali direktnih podataka o njihovom sastavu, izuzev spektralnih analiza zračenja materije u njihovoj atmosferi (komi) i repu. Prvi pokušaj da se pribavi uzorak čestica s neke komete ostvarila je sonda Stardust, koja je 1999. g. lansirana ususret kometi Wild 2. Sonda je 2003. g. prošla kroz komu komete i na posebni hvatač zarobila čestice koje su bile izbačene iz njene jezgre. Nakon tog riskantnog proleta, sonda je prema Zemlji uputila spremnik s uzorcima koji se spustio 2006. g. Velik broj istraživača okupio se u istraživanju prikupljenog materijala, i pokazalo se da su to čestice po svemu nalik na svemirsku prašinu, ali su uz njih utvrđene i aminokiseline (glicin) te minerali koji su mogli nastati samo u prisutnosti tekuće vode, što ukazuje da je kometa u nekom trenutku bila toliko zagrijana da se njen led rastalio.
Slika 8: Čestice zarobljene u hvataču čestica (aerogel)
Američka sonda Deep Impact lansirana je 2005. g. prema kometi Tempel 1, do koje je dospjela nakon 6 mjeseci s ciljem da ju istraži i testira njenu čvrstoću. Sonda je prema jezgri komete lansirala mali umjetni impaktor Smart koji je udario o površinu komete i pri tom stvorio umjetni impaktni krater, kojeg je ubrzo ispunio kometski materijal pa se danas trag kratera na površini komete više ne vidi. Taj je eksperiment pokazao da je konzistencija jezgre komete nalik na talk! Time smo dobili podatak o mehaničkoj čvrstoći komete, ali nismo mnogo naučili o njenoj građi ni sastavu. Za to se trebala “pobrinuti” sonda Rosetta koja je 2004. g. upućena prema kratkoperiodičkoj kometi Cheryumov-Gerasimenko (67P). Ova kometa obilazi Sunce u slabo ekscentričnoj putanji kojoj se najbliža točka Suncu nalazi između orbita Zemlje i Marsa, a najudaljenija u blizini Jupitera. Sonda Rosetta je nakon 10 godišnjeg svemirskog putovanja 2014. g. uspjela ući u orbitu komete i na njenu površinu spustiti robotsku sondu Philae. Sonda se spustila, ali i “odskakutala” u neko sjenovito mjesto odakle se ne može javiti na Zemlju, djelomično zato što je antena okrenuta u krivom smjeru, a djelomično zato jer se u sjeni ne mogu napuniti njene sunčeve baterije. Nažalost, to je ograničilo i njeno istraživanje sastava komete. Kometa Cheryumov-Gerasimenko sada se udaljava od Sunca i idućih 6 godina provest će u blizini Jupitera. Time se istraživačka misija Rosette bliži kraju jer je već toliko daleko od Sunca da ne prima dovoljno svjetla za punjenje baterija, pa je planirano da se i ona spusti na površinu komete. Koliko će to biti uspješno, vidjet će se uskoro, jer je spuštanje predviđeno za 30. rujan ove godine.
Slika 9: Jezgra komete Cheryumov-Gerasimenko snimljena 2014.
Ova ukratko opisana istraživanja usporedio bih s prvim istraživanjima Antarktike početkom 20. stoljeća, kada su do istraživača dospjeli prvi uzorci s do tada nepoznatog kontinenta. Ni danas o Antarktici neznamo dovoljno, ali neznamo sve niti o kontinentima na kojima živimo. To znači da nam predstoje desetljeća vrlo uzbudljivih istraživanja svemira u kojima će geolozi imati značajnu ulogu. Pitanje je samo, hoće li ih biti dovoljno?
