Косми́ческая пыль (иногда именуется «микрометеориты») — пыль, которая находится в космосе или попадает на Землю из космоса. Размер её частиц составляет от нескольких молекул до 0,2 мкм. На поверхность Земли, по различным оценкам, ежедневно оседает от 60 до 100 тонн космической пыли, что в пересчёте на год составляет 25-40 тысяч тонн.
Пыль Солнечной системы включает в себя кометную пыль, астероидную пыль, пыль с пояса Койпера и межзвёздную пыль, проходящую через Солнечную систему. Плотность пылевого облака, через которое проходит Земля, составляет примерно 10−6 частиц пыли на м3«Applications of the Electrodynamic Tether to Interstellar Travel» Gregory L. Matloff, Less Johnson, February, 2005. В Солнечной системе межпланетная пыль создаёт эффект, известный как зодиакальный свет.
Космическая пыль содержит некоторые органические соединения (аморфные органические твёрдые вещества со смешанной ароматико-алифатической структурой), которые могут быстро возникать естественным путём. Небольшую часть космической пыли составляет «звёздная пыль» — тугоплавкие минералы, оставшиеся в процессе звёздной эволюции.
Образцы межзвёздной пыли были собраны космическим аппаратом «Стардаст» и доставлены на Землю в 2006 году.
Определение и классификация
В статье «Метеорит и метеороид: новые полные определения» в журнале «Meteoritics & Planetary Science» в январе 2010 года авторы предложили научному сообществу следующее определение: Космическая пыль (Interplanetary dust particle (IDP)): частицы размером меньше 10 мкм, движущиеся в межпланетном пространстве. Если такие частицы впоследствии срастаются с большими по размеру телами природного или искусственного происхождения, они продолжают называться «космическая пыль».
Космическую пыль можно различать по её положению относительно астрономических объектов, например: межгалактическая пыль, галактическая пыль, межзвёздная пыль, околопланетная пыль, пылевые облака вокруг звёзд и основные компоненты межпланетной пыли в нашем зодиакальном пылевом комплексе (наблюдаемом в видимом свете как зодиакальный свет): астероидная пыль, кометная пыль и некоторые менее значительные добавки: пыль Пояса Койпера, межзвёздная пыль, проходящая через Солнечную систему, и бета-метеороиды. Межзвёздная пыль может наблюдаться в виде тёмных или светлых облаков (туманностей)
В Солнечной системе пылевое вещество распределено не равномерно, а сосредоточено в основном в пылевых облаках (неоднородностях) разных размеров. Это удалось установить, в частности, во время полного солнечного затмения 15 февраля 1961 года с помощью оптической аппаратуры, установленной на зондовой ракете Института прикладной геофизики для измерения яркости внешней короны в интервале высот 60—100 км над поверхностью Земли.
Значение и исследования
Космическая пыль на протяжении длительного времени была источником раздражения астрономического сообщества, поскольку препятствовала наблюдениям космических объектов. С началом эпохи инфракрасной астрономии было замечено, что частицы космической пыли являются важными компонентами астрофизических процессов, и их анализ позволит получить информацию о таких явлениях, как формирование Солнечной системы. Космическая пыль может играть важную роль на ранних стадиях звездообразования и участвовать в формировании будущих планет. В Солнечной системе космическая пыль играет большое значение в возникновении эффекта зодиакального света, спицах колец Сатурна, системах колец Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а также в кометах.
В настоящее время исследования космической пыли представляют собой междисциплинарную отрасль, включающую физику (физику твёрдого тела, электромагнетизм, физику поверхностей, статистическую физику, теплофизику), теорию фракталов, химию, метеоритику, а также все отрасли астрономии и астрофизики. Эти формально не связанные области исследований объединяются в силу того, что частицы космической пыли проходят эволюционный цикл, включающий химические, физически и динамические изменения. В эволюции космической пыли таким образом «отпечатываются» процессы эволюции Вселенной в целом.
Каждая частица космической пыли обладает индивидуальными характеристиками, такими как начальная скорость, свойства материала, температура, магнитное поле и т. д., и незначительное изменение любого из этих параметров может привести к различным сценариям «поведения» этой частицы. При использовании соответствующих методов можно получить информацию, откуда появился этот объект и что является промежуточной средой.
Методы обнаружения
Космическая пыль может быть обнаружена косвенными методами, в том числе с использованием анализа электромагнитных характеристик её частиц.
Космическая пыль также может быть обнаружена непосредственно («на месте») с использованием различных методов сбора. За сутки в атмосферу Земли попадает, по различным оценкам, от 5 до 300 тонн вещества внеземного происхождения .
Разработаны методы сбора образцов космической пыли в атмосфере Земли. Так, НАСА осуществляет сбор с помощью пластинчатых коллекторов, размещённых под крыльями самолётов, летающих в стратосфере. Образцы космической пыли также собирают на поверхностных отложениях обширных ледяных массивов (Антарктида и Арктика) и в глубоководных отложениях.
Ещё одним источником космической пыли являются метеориты, которые содержат звёздную пыль. Частицы звёздной пыли — это твёрдые тугоплавкие кусочки материала, распознаваемые по составу изотопов, которые могут содержаться лишь в эволюционирующих звёздах до попадания в межзвёздную среду. Эти частицы конденсировались из звёздного вещества по мере охлаждения в процессе покидания им звезды.
Для сбора частиц космической пыли в межпланетном пространстве используются автоматические межпланетные станции. Детекторы пыли использовались в миссиях таких станций как HEOS-2, , Пионер-10, Пионер-11, Джотто, Галилео и Cassini, околоземных спутников LDEF, и Gorid. Некоторые учёные использовали Вояджер-1 и Вояджер-2 как своего рода гигантский зонд Ленгмюра. В настоящее время детекторы пыли установлены на космических аппаратах «Улисс», , «Розетта», «Стардаст» и «Новые горизонты». Образцы космической пыли, собранные как на Земле, так и в космосе, хранятся в специальных хранилищах. Одно из них находится в Центре Линдона Джонсона НАСА в Хьюстоне.
Большие скорости (10-40 км/с) затрудняют захват частиц космической пыли. Поэтому детекторы космической пыли разрабатываются для измерения параметров, связанных с высокоскоростным воздействием частиц, и для определения физических свойств частиц (обычно массы и скорости) посредством лабораторной калибровки. Наряду с этими, детекторы пыли измеряли также такие характеристики как ударную световую вспышку, акустический сигнал и ударную ионизацию. Детектор пыли на «Стардасте» сумел захватить неповреждённые частицы пыли в аэрогеле низкой плотности.
Хорошие возможности для изучения космической пыли дают наблюдения в инфракрасном спектре, в частности, с помощью космического телескопа НАСА «Спитцер» — крупнейшего инфракрасного телескопа, работающего на околоземной орбите. За время своей миссии «Спитцер» получал изображения и спектры теплового излучения, излучаемого космическими объектами в диапазоне от 3 до 180 микрометров. Большая часть этого инфракрасного излучения задерживается земной атмосферой и не может наблюдаться с Земли. При анализе ряда данных «Спитцера» были получены некоторые свидетельства того, что космическая пыль образуется вблизи сверхмассивной чёрной дыры.
Другим механизмом обнаружения космической пыли является поляриметрия. Поскольку частицы не имеют сферической формы и имеют тенденцию спрямлять межзвёздные магнитные поля, они поляризуют свет звёзд, который проходит сквозь пылевые облака. Для близлежащих областей межзвёздного пространства была использована высокоточная оптическая поляриметрия для определения структуры пыли в Местном пузыре (области разрежённого горячего газа внутри рукава Ориона в нашей Галактике) arXiv .
В 2019 году исследователи обнаружили в Антарктиде межзвёздную пыль, которая, предположительно, имеет происхождение из Местного межзвёздного облака. Наличие межзвёздной пыли в Антарктиде было выявлено измерением радионуклидов 60Fe и 53Mn с помощью высокочувствительной масс-спектрометрии.
Электромагнитные свойства
Частицы космической пыли взаимодействуют с электромагнитным излучением, при этом характер отражённого излучения зависит от таких характеристик частиц, как размер, поперечное сечение, структура, показатели преломления, длина волны электромагнитного излучения и т. д. Характеристики излучения космической пыли позволяют понять, имеет ли место поглощение, рассеяние или поляризация излучения.
Рассеяние и ослабление («затемнение») излучения даёт полезную информацию о размерах частиц пыли. Например, если какой-либо космический объект в определённом диапазоне выглядит ярче, чем в другом, это позволяет сделать вывод о размерах частиц.
Рассеяние света от частиц пыли на фотографиях с большой выдержкой хорошо заметно в случае отражательных туманностей (газопылевых облаков, подсвечиваемых звездой) и даёт представление об оптических характеристиках отдельных частиц. Исследования рассеяния рентгеновских лучей межзвёздной пылью позволяют предположить, что будут иметь диффузные гало из-за пыли.
Некоторые другие свойства Космическая пыль состоит из микрочастиц, которые могут соединяться в более крупные фрагменты неправильной формы, пористость которых варьируется в широких пределах. Состав, размер и другие свойства частиц зависят от их местонахождения, и, соответственно, анализ состава частиц пыли может указывать на их происхождение. Межзвёздная пыль, частицы пыли в межзвёздных облаках и околозвёздная пыль различны по своим характеристикам. Например, частицы пыли в плотных межзвёздных облаках зачастую имеют ледяную «мантию» и в среднем крупнее частиц пыли из разрежённой межзвёздной среды. Частицы межпланетной пыли, как правило, ещё больше по размеру.
Бо́льшую часть внеземного вещества, которое оседает на поверхность Земли, составляют метеороиды диаметром от 50 до 500 микрометров и средней плотностью 2,0 г/см3 (с пористостью около 40 %). Плотность частиц межпланетной пыли, захваченных в стратосфере Земли, составляет от 1 до 3 г/см3 со средней величиной около 2,0 г/см³.
В околозвёздной пыли были обнаружены молекулы CO, карбида кремния, силикатов, полициклических ароматических углеводородов, льда и полиформальдегида (также имеются доказательства наличия в межзвёздной среде силикатных и углеродных частиц). Кометная пыль, как правило, отличается от астероидной пыли. Астероидная пыль напоминает . Кометная пыль по составу напоминает межзвёздные частицы, которые могут включать силикаты, полициклические ароматические углеводороды и лёд.
Звёздная пыль Термин «звёздная пыль» относится к тугоплавким пылевым частицам, которые формировались из газов, выбрасываемых протозвёздными объектами в облако, из которого формировалась Солнечная система. Частицы звёздной пыли (также называемые в метеоритике досолнечными зёрнами) содержатся в метеоритах. Звёздная пыль до попадания в состав метеоритов была компонентом пыли в межзвёздной среде со времён начала формирования Солнечной системы, более четырёх миллиардов лет назад. Так называемые углистые хондриты являются наиболее богатыми источниками звёздной пыли.
На основе лабораторных исследований выделено большое количество различных типов звёздной пыли. Возможно, что эти тугоплавкие частицы ранее были покрыты летучими соединениями, которые теряются при растворении метеорита в кислотах, оставляя только нерастворимые тугоплавкие минералы. Поиск звёздной пыли без растворения большей части метеорита представляет собой чрезвычайно трудоёмкий процесс.