Η γυναίκα που εφηύρε ξανά τη Σελήνη

Η Σάρα Στιούαρτ ζει την ιδανική της ζωή—και έγινε πιο γλυκιά. Η πλανητική φυσική του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Davis κέρδισε πρόσφατα μια υποτροφία του Ιδρύματος MacArthur, γνωστή και ανεπίσημα ως «επιχορήγηση ιδιοφυΐας», για το έργο της σχετικά με την προέλευση του φεγγαριού της Γης, ανατρέποντας μια θεωρία δεκαετιών. Έχει βραβευτεί με 625.000 $.

"Είναι μια καταπληκτική ιδέα να πούμε απλώς, "Θα σας δώσουμε την ευκαιρία να κάνετε κάτι και δεν πρόκειται να σας πούμε τίποτα για το τι να κάνετε." Αυτό είναι πολύ ασυνήθιστο και απελευθερωτικό", είπε στο Ναυτίλος , αναφερόμενος στο πρόγραμμα επιχορήγησης. Ήταν ιδιαίτερα ενθουσιασμένη από την αναγνώριση που αντιπροσωπεύει το βραβείο. Το ίδρυμα μιλά με πολλές δεκάδες συναδέλφους ενός υποψηφίου ως μέρος της διαδικασίας ελέγχου του. «Αυτό που πραγματικά νιώθω είναι εκτίμηση για τους συναδέλφους μου», είπε. "Αυτό πραγματικά με αγγίζει."

Ναυτίλος μίλησε στον Stewart κατά τη διάρκεια της Παγκόσμιας Εβδομάδας Διαστήματος, το θέμα της οποίας, φέτος, είναι «Το Διάστημα Ενώνει τον Κόσμο». Την ανάγκασε να γράψει ένα ποίημα, χρησιμοποιώντας το θέμα ως τίτλο. Ναυτίλος ρώτησε τη Στιούαρτ για αυτό, καθώς και για το πώς τα εργαστηριακά της πειράματα, τα οποία αναπαράγουν τις πιέσεις και τις θερμοκρασίες των πλανητικών συγκρούσεων, ενημέρωσαν το μοντέλο της για τη γέννηση του φεγγαριού.

Πώς μπορεί να μας ενώσει το διάστημα;

Αυτή η Παγκόσμια Εβδομάδα Διαστήματος συμβαίνει σε μια εποχή όπου ο κόσμος φαίνεται να αναδεικνύει τους διαχωρισμούς. Και έτσι έγραψα αυτό που έγραψα ως απάντηση σε αυτό. Η εξερεύνηση του διαστήματος και η ανακάλυψη πραγμάτων που προκαλούν έκπληξη και νέα είναι ένας τρόπος να φέρεις όλους κοντά και να απολαύσεις τη βαθιά ομορφιά της φύσης. Και θα ήθελα να αφιερώσουμε περισσότερο χρόνο μιλώντας για τα πράγματα που μας ενώνουν.

Όπως το φεγγάρι. Δώστε μας μια σύντομη ιστορία των θεωριών προέλευσής του.

Το επόμενο έτος, το 2019, είναι η 50ή επέτειος από την προσγείωση του Απόλλωνα στο φεγγάρι. Τα δείγματα βράχου που έφεραν πίσω οι αποστολές Apollo βασικά έριξαν έξω κάθε προηγούμενη ιδέα για την προέλευση του φεγγαριού. Πριν από τα αποτελέσματα του Apollo, ένας Ρώσος αστρονόμος ονόματι Viktor Safronov είχε αναπτύξει μοντέλα για το πώς μεγαλώνουν οι πλανήτες. Βρήκε ότι αναπτύσσονται σε αυτά τα σώματα μεγέθους υπο- ή πρωτοπλανήτων που στη συνέχεια θα συγκρούονταν. Στη συνέχεια, μερικές διαφορετικές ομάδες πρότειναν ανεξάρτητα ότι μια γιγαντιαία πρόσκρουση έκανε έναν δίσκο γύρω από τη Γη από τον οποίο συσσωρεύτηκε το φεγγάρι. Τα τελευταία 50 χρόνια, αυτό το μοντέλο έγινε ποσοτικό, προγνωστικό. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το φεγγάρι θα έπρεπε να είναι κατασκευασμένο κυρίως από το αντικείμενο που χτύπησε την πρωτο-Γη. Αλλά η αποστολή Apollo διαπίστωσε ότι το φεγγάρι είναι πρακτικά δίδυμο της Γης, ιδιαίτερα του μανδύα της, σε κύρια στοιχεία και σε ισοτοπικές αναλογίες:Τα διαφορετικά στοιχεία βάρους είναι σαν τα δακτυλικά αποτυπώματα, που υπάρχουν στην ίδια αφθονία. Κάθε μικρός αστεροειδής και πλανήτης στο ηλιακό σύστημα έχει διαφορετικό δακτυλικό αποτύπωμα, εκτός από τη Γη και τη Σελήνη. Άρα η υπόθεση της γιγαντιαίας πρόσκρουσης ήταν λανθασμένη. Είναι ένα μάθημα για το πώς λειτουργεί η επιστήμη—η υπόθεση του γιγαντιαίου αντίκτυπου διατηρήθηκε για τόσο καιρό, επειδή δεν υπήρχε εναλλακτικό μοντέλο που να μην είχε ήδη απορριφθεί.

Πώς είναι διαφορετική η πρότασή σας για τη γέννηση του φεγγαριού;

Αλλάξαμε τον τεράστιο αντίκτυπο. Και αλλάζοντας το αφαιρέσαμε συγκεκριμένα έναν από τους αρχικούς περιορισμούς. Η αρχική γιγαντιαία πρόσκρουση προτάθηκε για να ορίσει τη διάρκεια της ημέρας της Γης, επειδή η γωνιακή ορμή - το περιστροφικό ισοδύναμο της γραμμικής ορμής - είναι ένα φυσικό μέγεθος που διατηρείται:Αν πάμε πίσω στο χρόνο, το φεγγάρι πλησιάζει τη Γη. Την ώρα που μεγάλωνε το φεγγάρι, η Γη θα περιστρεφόταν με πέντε ώρες την ημέρα. Έτσι, όλα τα γιγάντια μοντέλα πρόσκρουσης ρυθμίστηκαν για να μας δώσουν μια μέρα πέντε ωρών για τη Γη αμέσως μετά τη γιγάντια πρόσκρουση. Αυτό που κάναμε ήταν να πούμε, "Λοιπόν, τι θα γινόταν αν υπήρχε τρόπος να αλλάξουμε τη γωνιακή ορμή μετά το σχηματισμό του φεγγαριού;" Αυτό θα έπρεπε να γίνει μέσω μιας δυναμικής αλληλεπίδρασης με τον ήλιο. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να ξεκινήσουμε τη Γη να περιστρέφεται πολύ πιο γρήγορα—εξερευνούσαμε μοντέλα όπου η Γη είχε δύο έως τρεις ώρες ημέρα μετά τη γιγάντια πρόσκρουση.

Τι έκανε μια πιο γρήγορη περιστρεφόμενη Γη στα μοντέλα σας;

Το εκπληκτικό νέο πράγμα είναι ότι όταν η Γη είναι ζεστή, εξατμίζεται και περιστρέφεται γρήγορα, δεν είναι πια πλανήτης. Υπάρχει ένα όριο πέρα ​​από το οποίο όλο το υλικό της Γης δεν μπορεί να παραμείνει φυσικά σε ένα αντικείμενο που περιστρέφεται εντελώς - αυτό το ονομάζουμε όριο συν-περιστροφής. Ένα σώμα που υπερβαίνει το όριο συν-περιστροφής σχηματίζει ένα νέο αντικείμενο που ονομάσαμε συνεστία, μια λέξη ελληνικής προέλευσης που προορίζεται να αντιπροσωπεύει μια συνδεδεμένη δομή. Η συνεστία είναι ένα διαφορετικό αντικείμενο από έναν πλανήτη συν έναν δίσκο. Έχει διαφορετική εσωτερική δυναμική. Σε αυτή την καυτή κατάσταση εξάτμισης, το καυτό αέριο στο δίσκο δεν μπορεί να πέσει στον πλανήτη, επειδή ο πλανήτης έχει μια ατμόσφαιρα που σπρώχνει αυτό το αέριο προς τα έξω. Αυτό που τελικά συμβαίνει είναι ότι ο βράχος ατμός που σχηματίζει συνεστία ψύχεται ακτινοβολώντας στο διάστημα, σχηματίζει βροχή μάγματος στα εξωτερικά μέρη της συνεστίας και ότι η βροχή μάγματος συσσωρεύεται για να σχηματίσει το φεγγάρι μέσα στους ατμούς βράχου που αργότερα ψύχεται για να γίνει η Γη .

Πώς προέκυψε η ιδέα μιας συνεστίας;

Το 2012, ο Matija Ćuk και εγώ δημοσιεύσαμε μια εργασία που ήταν ένα μοντέλο υψηλής περιστροφής για την προέλευση του φεγγαριού. Αλλάξαμε το συμβάν αντίκτυπου, αλλά δεν καταλάβαμε ότι μετά τον αντίκτυπο, τα πράγματα ήταν εντελώς διαφορετικά. Απλώς δεν ήταν κάτι που αντλήσαμε ποτέ από τις προσομοιώσεις. Μόλις δύο χρόνια αργότερα, όταν ο μαθητής μου Simon Lock και εγώ κοιτούσαμε διαφορετικές πλοκές, πλοκές που δεν είχαμε ξανακάνει από τις ίδιες προσομοιώσεις, συνειδητοποιήσαμε ότι ερμηνεύαμε λανθασμένα αυτό που συνέβη στη συνέχεια. Υπήρχε ένα bofide εύρηκα στιγμή που καθόμαστε μαζί και συζητάμε για το πώς ο δίσκος θα εξελισσόταν γύρω από τη Γη μετά την πρόσκρουση και συνειδητοποιώντας ότι δεν ήταν ένας τυπικός δίσκος. Αυτές οι συνεστίες πιθανότατα βρίσκονται στα συστήματα υπολογιστών των ανθρώπων εδώ και αρκετό καιρό χωρίς κανείς να τις προσδιορίσει ως κάτι διαφορετικό.

Ήταν το μέγεθος της συνεστίας πέρα ​​από την τρέχουσα τροχιά της σελήνης;

Θα μπορούσε να ήταν μεγαλύτερο. Το πόσο ακριβώς ήταν εξαρτάται από την ενέργεια του γεγονότος και το πόσο γρήγορα περιστρεφόταν. Δεν έχουμε ακριβείς περιορισμούς σε αυτό για να φτιάξουμε το φεγγάρι, επειδή μια σειρά από συνεστίες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν το φεγγάρι.

Πόσο καιρό ήταν η Γη σε κατάσταση συνεστίας;

Η συνεστία ήταν πολύ μεγάλη, αλλά δεν κράτησε πολύ. Επειδή οι ατμοί των βράχων είναι πολύ ζεστοί και όπου βρισκόμαστε στο ηλιακό σύστημα είναι αρκετά μακριά από τον ήλιο, ώστε η μέση θερμοκρασία μας να είναι πιο δροσερή από τους ατμούς βράχου, η συνεστία ψύχθηκε πολύ γρήγορα. Θα μπορούσε λοιπόν να διαρκέσει περίπου 1.000 χρόνια πριν μοιάσει ξανά με έναν κανονικό πλανήτη. Το πόσο ακριβώς θα διαρκέσει εξαρτάται από το τι άλλο συμβαίνει στο ηλιακό σύστημα γύρω από τη Γη. Για να είναι ένα μακρόβιο αντικείμενο θα πρέπει να είναι πολύ κοντά στο αστέρι.

Ποιο ήταν το μέγεθος του αντικειμένου που χτύπησε την πρωτο-Γη;

Δεν μπορούμε να πούμε, επειδή μια ποικιλία αναλογιών μάζας, γωνίες κρούσης, ταχύτητες κρούσης μπορούν να δημιουργήσουν μια συνεστία που έχει αρκετή μάζα και γωνιακή ορμή για να φτιάξει το φεγγάρι μας. Δεν ξέρω ότι θα μάθουμε ποτέ με βεβαιότητα τι ακριβώς μας έπληξε. Μπορεί να υπάρχουν τρόποι για να περιορίσουμε τις δυνατότητες. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να ψάξετε βαθιά στη Γη για ενδείξεις σχετικά με το πόσο μεγάλο θα μπορούσε να ήταν το γεγονός. Υπάρχουν χημικοί ιχνηθέτες από τον βαθύ μανδύα που υποδεικνύουν ότι η Γη δεν είχε λιώσει και αναμειχθεί πλήρως, ακόμη και από το γεγονός που σχηματίστηκε η Σελήνη. Αυτοί φτάνουν στην επιφάνεια μέσω αυτών που ονομάζονται βασάλτες των νησιών του ωκεανού, που μερικές φορές ονομάζονται λοφία μανδύα, από κοντά στο όριο πυρήνα-μανδύα, μέχρι και μέσω ολόκληρου του μανδύα στην επιφάνεια. Θα μπορούσε να είναι ότι αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως περιορισμός στο να είναι πολύ μεγάλο. Επειδή η Γη και το φεγγάρι μοιάζουν πολύ στους μανδύες των δύο σωμάτων, αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιοριστεί τι είναι πολύ μικρό σε ένα γεγονός. Αυτό θα μας έδινε ένα εύρος που μπορεί πιθανώς να ικανοποιηθεί από μια σειρά από διαφορετικές διαμορφώσεις αντίκτυπου.

Πόση ενέργεια χρειάζεται για να σχηματιστεί μια συνεστία;

Οι γιγάντιες κρούσεις είναι εξαιρετικά ενεργητικά γεγονότα. Η ενέργεια του γεγονότος, ως προς την κινητική ενέργεια της κρούσης, απελευθερώνεται με τις ώρες. Η ισχύς που εμπλέκεται είναι παρόμοια με τη δύναμη ή τη φωτεινότητα του ήλιου. Πραγματικά δεν μπορούμε να σκεφτούμε ότι η Γη μοιάζει με τη Γη όταν μόλις πετάξετε την ενέργεια του ήλιου σε αυτόν τον πλανήτη.

Πόσο συχνές είναι οι συνεστίες;

Στην πραγματικότητα πιστεύουμε ότι οι συνεστίες θα πρέπει να συμβαίνουν αρκετά συχνά κατά τη διάρκεια του σχηματισμού βραχωδών πλανητών. Δεν έχουμε κοιτάξει τους αέριους γίγαντες πλανήτες. Υπάρχουν κάποιες διαφορετικές φυσικές που συμβαίνουν με αυτά. Αλλά για την ανάπτυξη βραχωδών σωμάτων όπως η Γη, προσπαθήσαμε να εκτιμήσουμε τα στατιστικά στοιχεία για το πόσο συχνά θα έπρεπε να υπάρχουν συνεστίες. Και για σώματα με γήινη μάζα οπουδήποτε στο σύμπαν πιθανότατα, το σώμα είναι μια συνεστία τουλάχιστον μία φορά ενώ μεγαλώνει. Η πιθανότητα να γίνει συνεστία αυξάνεται καθώς τα σώματα γίνονται μεγαλύτερα. Οι Super-Earths θα έπρεπε επίσης να ήταν μια συνεστία κάποια στιγμή.

Λέτε ότι όλες οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται κατά τον σχηματισμό των πλανητών είναι πλέον προσβάσιμες στο εργαστήριο. Πρώτα, δώστε μας μια αίσθηση του μεγέθους αυτών των πιέσεων και θερμοκρασιών και, στη συνέχεια, πείτε μας πώς είναι δυνατή η πρόσβαση σε αυτές στα εργαστήρια.

Το κέντρο της Γης βρίσκεται σε αρκετές χιλιάδες μοίρες και έχει εκατοντάδες γιγαπασκάλ πίεσης - περίπου 3 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη πίεση από την επιφάνεια. Το κέντρο του Δία είναι ακόμα πιο ζεστό. Οι πιέσεις στο κέντρο του Δία μπορούν να επιτευχθούν προσωρινά κατά τη διάρκεια μιας γιγαντιαίας πρόσκρουσης, καθώς τα σώματα συγκρούονται μεταξύ τους. Μια γιγαντιαία πρόσκρουση και το κέντρο του Δία είναι περίπου τα όρια των πιέσεων και των θερμοκρασιών που επιτυγχάνονται κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των πλανητών:έτσι δεκάδες χιλιάδες μοίρες και ένα εκατομμύριο φορές την πίεση της Γης. Για να το αντιγράψουμε αυτό, πρέπει να απορρίψουμε ενέργεια στο πέτρωμα ή το ορυκτό μας πολύ γρήγορα για να δημιουργήσουμε ένα κρουστικό κύμα που φτάνει αυτά τα πλάτη σε πίεση και θερμοκρασία. Χρησιμοποιούμε σημαντικά ορυκτά στη Γη ή βραχώδεις πλανήτες—έτσι μελετήσαμε τον σίδηρο, τον χαλαζία, τον φορστερίτη, τον ενστατίτη και διαφορετικές συνθέσεις κραμάτων αυτών. Άλλοι άνθρωποι έχουν μελετήσει το μείγμα υδρογόνου ηλίου για τον Δία και τους πάγους για τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα. Στο εργαστήριό μου έχουμε ελαφριά πυροβόλα όπλα αερίου, ουσιαστικά κανόνια. Και, χρησιμοποιώντας συμπιεσμένο υδρογόνο, μπορούμε να εκτοξεύσουμε μια μεταλλική πλάκα ιπτάμενων - κυριολεκτικά έναν λεπτό δίσκο - με ταχύτητα σχεδόν 8 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο. Μπορούμε να φτάσουμε τις βασικές πιέσεις στη Γη, αλλά δεν μπορώ να φτάσω το εύρος των γιγάντων κρούσεων ή το κέντρο του Δία στο εργαστήριό μου. Αλλά η μηχανή Sandia Z, η οποία είναι ένας μεγάλος πυκνωτής που εκτοξεύει μεταλλικές πλάκες χρησιμοποιώντας μαγνητική δύναμη, μπορεί να φτάσει τα 40 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Και με το λέιζερ National Ignition Facility στο Lawrence Livermore National Lab, μπορούμε να φτάσουμε τις πιέσεις στο κέντρο του Δία.

Τι συμβαίνει με τις πλάκες του φυλλαδίου όταν πυροβολούνται;

Ο στόχος απλώς μετατρέπεται σε σκόνη αφού εξατμιστεί και μετά κρυώσει ξανά. Είναι πολύ καταστροφικά πειράματα. Πρέπει να κάνετε μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο - του ίδιου του κύματος και της ταχύτητας που ταξιδεύει - μέσα σε δεκάδες νανοδευτερόλεπτα. Ότι μπορούμε να μεταφραστεί σε πίεση. Η ομάδα μου έχει αφιερώσει πολύ χρόνο στην ανάπτυξη τρόπων μέτρησης της θερμοκρασίας και εύρεσης ορίων φάσης. Η εργασία που οδήγησε στην προέλευση του φεγγαριού ήταν ειδικά η μελέτη του τι χρειάζεται για την εξάτμιση των υλικών της Γης και τον προσδιορισμό των σημείων βρασμού των πετρωμάτων. Χρειαζόταν να ξέρουμε πότε θα εξατμιζόταν για να υπολογίσουμε πότε κάτι θα γινόταν συνεστία.

Πώς χρησιμοποιείτε τα πειραματικά σας αποτελέσματα;

Αυτό που τρέχει στον κώδικά μας είναι μια απλοποιημένη έκδοση ενός πλανήτη. Με τα πειράματά μας μπορούμε να προσομοιώσουμε έναν απλοποιημένο πλανήτη για να συμπεράνουμε το πιο περίπλοκο χημικό σύστημα. Αφού προσδιορίσουμε την πίεση-θερμοκρασία του μέσου συστήματος, μπορείτε να κάνετε πιο λεπτομερείς ερωτήσεις σχετικά με τη χημεία πολλών συστατικών ενός πραγματικού πλανήτη. Στο moon paper που δημοσιεύτηκε φέτος, υπάρχουν δύο μεγάλες ενότητες. Αυτό που κάνει την απλοποιημένη μοντελοποίηση της γιγαντιαίας πρόσκρουσης - μας δίνει το εύρος πίεσης-θερμοκρασίας στη συνεστία. Στη συνέχεια, ένα άλλο που εξετάζει τη χημεία του συστήματος που ξεκινά από αυτές τις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες και ψύχεται, αλλά τώρα χρησιμοποιεί ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο για τη Γη.

Πώς ήταν να λάβατε μια κλήση από το Ίδρυμα MacArthur;

Βγήκε από το μπλε. Με κάλεσαν στο γραφείο μου και απάντησα στο τηλέφωνο. Υπήρχαν τρία άτομα στην άλλη άκρη, και είπαν ότι ήταν από το Ίδρυμα MacArthur. Ήξερα τι ήταν, και σταμάτησα να ακούω, γιατί ήταν μια τόσο ωραία έκπληξη. Για μένα μάλλον είναι απλώς εξωπραγματικό αυτή τη στιγμή, που σημαίνει ότι μάλλον θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να βυθιστεί πραγματικά.

Πώς ήρθες να σπουδάσεις πλανητική φυσική;

Μου άρεσε η επιστημονική φαντασία, χωρίς να σκεφτόμουν ότι θα γίνω επιστήμονας. Αλλά όσο ήμουν στο γυμνάσιο είχα εξαιρετικούς καθηγητές μαθηματικών και φυσικής. Αυτό πραγματικά μου τράβηξε το ενδιαφέρον, οπότε όταν πήγα στο κολέγιο ήθελα να γίνω κύριος της φυσικής. Γρήγορα έμαθα ότι οι αστρονόμοι καλωσόρισαν πολύ τους προπτυχιακούς ερευνητές επειδή η εργασία ήταν πολύ προσιτή σε κάποιον με προπτυχιακές δεξιότητες. Γνώρισα καταπληκτικούς επιστήμονες και αυτό πυροδότησε μια ολόκληρη καριέρα.

Τι θα κάνατε αν δεν ήσασταν επιστήμονας;

Αυτό είναι δύσκολο. Γιατί ήταν το ιδανικό μου εδώ και πολύ καιρό. Στο κολέγιο έκανα πολύ θέατρο. Περισσότερο θέατρο παρά εργασία. Η καλύτερη θεατρική εμπειρία που είχα ήταν να σκηνοθετήσω τον Σουίνι Τοντ. Ήταν απολύτως εκπληκτικό. Έτσι, παρακολούθησα με κάποιο φθόνο καθώς κάποιοι από τους φίλους μου ακολουθούσαν μια θεατρική ζωή. Αυτό είναι κάτι για το οποίο μπορείτε να ανησυχείτε, εκτός από το ότι θα ήταν δύσκολος δρόμος.

Η NASA γιορτάζει την 60η επέτειό της. Τι σημαίνει αυτό για εσάς ως επιστήμονα που μελετάτε το διάστημα;

Νιώθουμε ότι έχουμε μάθει τόσα πολλά για πάνω από 60 χρόνια, επειδή είχαμε τις πρώτες μας επισκέψεις σε οτιδήποτε στο ηλιακό σύστημα τώρα. Αλλά την ίδια στιγμή, εκπλήσσουμε εντελώς κάθε φορά που φτάνουμε σε ένα νέο αντικείμενο. Έτσι, κατά κάποιο τρόπο, βρισκόμαστε ακόμα στη νεανική περίοδο της πλανητικής επιστήμης, όπου προσπαθούμε να επεξεργαστούμε βασικές γνώσεις. Αυτή είναι μια πολύ συναρπαστική στιγμή. Είμαστε ακόμα σε μια πολύ μεγάλη καμπύλη ανάπτυξης.

Ο Brian Gallagher είναι ο συντάκτης του Facts So Romantic, the Nautilus ιστολόγιο. Ακολουθήστε τον στο Twitter @brianga11agher.