Межзвездное распределение пыли/вещества

Представляют ли столкновения с межзвездной пылью и другими мелкими частицами значительную угрозу при путешествии на космическом корабле?

У нас есть много данных об этом для космического корабля Земля. В этом «Письме к природе » фигурирует следующая фигура:

Показано ожидаемое количество ежегодных событий, превышающих заданную мощность взрыва в килотоннах тротила. Обратите внимание, что отображаемый диапазон энергий охватывает 14 порядков.

Теперь межзвездное путешествие на космическом корабле будет отличаться от полета вокруг Солнца на огромном куске скалы. Очевидно, что ваш космический корабль будет намного меньше. Это можно компенсировать, уменьшив частоту попаданий с помощью отношения космического корабля к площади поверхности Земли. Во-вторых, Земля движется внутри Солнечной системы, где частота столкновений с объектами наверняка выше, чем в межзвездном пространстве. Однако, независимо от точных деталей вашего космического корабля, ваше путешествие начнется с многолетнего путешествия по Солнечной системе. С точки зрения оценки риска частоты попаданий разумно сосредоточиться на этой части вашего путешествия. В-третьих, Земля гравитационно притягивает любые объекты, а ваш космический корабль тем более. Этот эффект незначителен, так как средняя скорость, с которой мелкие объекты сталкиваются с Землей, составляет 20,3 км/с, что значительно выше земной.

Наконец, я отмечаю, что скорость, которую мы достигаем с помощью нашей современной технологии космических полетов, обусловлена ​​гравитационными эффектами (например, гравитационными рогатками) и, следовательно, имеет тот же порядок величины, что и скорость, с которой Земля движется через Солнечную систему.

Вывод из всего этого таков: если ваш космический корабль имеет примерно сферическую форму диаметром, скажем, 4 м (в 3 000 000 раз меньше Земли, а значит, и с точки зрения площади поверхности$10^{13}$раз меньше, чем Земля), вы будете наблюдать количество объектов, сталкивающихся с вашим космическим кораблем ежегодно с энергией удара, превышающей заданную цифру в килотоннах, что на 13 порядков меньше, чем показано на рисунке.

К сожалению, на рисунке нет данных меньше, чем$10^{-5}$килотонн тротила (10 кг тротила, что соответствует частице размером 5 см (2 дюйма) с плотностью$3 \ g/cm^3$столкновение с вашим космическим кораблем на скорости 20 км/с). Такой взрыв в 10 кг тротила наверняка уничтожит ваш космический корабль. Однако частота возникновения$10^5$в год, уменьшенный на 13 порядков, или$10^{-8}$мероприятия с массой более 10 кг тротила в год.

Это частота ударов, с которой можно жить.

Мы можем экстраполировать на менее энергичные события, используя наблюдаемый закон масштабирования (наклон -0,9, показанный на рисунке). Вам нужно будет экстраполировать на события в миллиард раз меньше (события, превышающие совершенно незначительную мощность взрыва в 0,01 мг тротила), чтобы достичь годовой частоты попаданий.

Мой вывод таков: космос и даже наша Солнечная система довольно пусты. При тех скоростях, с которыми мы путешествуем, столкновения с космической пылью не представляют серьезной угрозы для космических полетов.

Насколько мне известно, основная часть космической пыли находится в микрометровом, а не в миллиметровом диапазоне. Вы можете посмотреть статью Википедии о космической пыли для получения информации о пыли и ссылках в ней.

Вот две статьи (оба препринта находятся на ArXiV.org), в которых содержится некоторая информация:

1. Статья Диркарева и др. 2009 г. Микроволновое тепловое излучение пыли: I. Спектры теплового излучения

   • В этой статье указано, что$mm$Зерна меньшего размера могут влиять на реликтовое излучение, но на самом деле не дает подробного описания зерен.

2. Статья Брюса Дрейна 2009 г. « Модели межзвездной пыли и эволюционные последствия »

   • В этой статье говорится, что экстинкция около 1500 ангстрем происходит из-за зерен с радиусом менее 0,02$\mu$м при поглощении в видимом спектре 0,05$\mu$м <$a$< 0,3$\mu$м. Основными составляющими этих зерен являются C, O, Mg, Si и Fe. Примерно 1,2$M_\odot$пыли образуется в галактике каждый год

Если это для исследований, вы можете рассмотреть возможность использования астрономической базы данных SAO/NASA для литературных запросов.

Средняя плотность межзвездной среды составляет 10^6 атомов на кубический метр. Я получил это прямо из книги М. М. Вулфсона «О происхождении планет» (Imperial College Press, Лондон, 2011). Я использовал этот учебник в качестве справочника для статьи о формировании планет, это довольно хорошо.

Для сравнения (и при этом небрежного сравнения) один литр воздуха содержит примерно 10^22 молекул.

Согласно статье в Википедии «Межзвездная среда» ( источник ):

Молекулярные облака: от 100 до 1000000 атомов/мл.
CNM: от 20 до 50 атомов/мл.
WNM: от 0,2 до 0,5 атомов/мл.
WIM: от 0,2 до 0,5 атомов/мл.
HII: от 100 до 10000 атомов/мл.
Корональный газ: от 0,0001 до 0,01 атома/мл.

Который менее плотный, чем даже искусственные пылесосы.

На самом деле наибольшие потоки, как и следовало ожидать, наблюдаются при наименьших размерах около 1 а.е. (т. е. на орбите Земли). Потоки пыли с радиусами ~0,15-0,45$\mu$м (11$\mu$м ~$10^{-11}$кг кремнезема ) находится между$10^{-6}$-$10^{-5}$ $m^{-2} \ s^{-1}$(измерено детекторами электрического поля на КА « Кассини » и « Винд» ). Космический аппарат STEREO смог измерить более мелкие частицы, так называемую нанопыль , с потоками до 17-44$m^{-2} \ s^{-1}$.

Считается, что межзвездная пыль в основном имеет микронный размер, в то время как нанопыль, о которой я упоминал, считается преимущественно межпланетным по происхождению. Пыль микронного размера обычно движется со скоростью ~ 26 км / с относительно Земли, подобно нейтральному газообразному гелию из межзвездного пространства. Нанопыль, с другой стороны, может развивать скорость более 100 км/с, потому что она увлекается потоком солнечного ветра .

Мелкие частицы пыли имеют тенденцию проникать примерно на эквивалент своего радиуса в материалы с аналогичной плотностью при движении на высоких скоростях. Мы знаем, что проволочные антенны на нескольких космических кораблях (например, Wind и THEMIS ) были порезаны пылью, так что да, они могут причинить некоторый ущерб. Однако они в большинстве случаев не проникают через шину корабля, т.к. Wind безотказно работает более 20 лет (а корабль Voyager более 30).

использованная литература

• Д. М. Маласпина и др., "Межпланетная и межзвездная пыль, наблюдаемая с помощью прибора электрического поля Wind/WAVES", Geophys. Рез. лат. 41 , стр. 266–272, doi: 10.1002/2013GL058786, 2014.
• DM Malaspina и др., "База данных межпланетной и межзвездной пыли, обнаруженной космическим кораблем Wind ", J. Geophys. Рез. 121 , стр. 9369–9377, doi: 10.1002/2016JA023209, 2016.
• Н. Мейер-Верне и др., «Важность несимметричных антенн для наблюдения за пылью: почему Wind/WAVES не обнаруживает нанопыль», Geophys. Рез. лат. 41 , стр. 2716–2720, doi: 10.1002/2014GL059988, 2014.