Distribución interestelar de polvo/materia

¿Las colisiones con polvo interestelar y otras partículas pequeñas representan una amenaza significativa cuando se viaja en una nave espacial?

Tenemos muchos datos sobre esto para la nave espacial Tierra. En esta Carta a la Naturaleza , aparece la siguiente figura:

Se muestra el número esperado de eventos anuales que superan un kilotón dado de potencia explosiva de TNT. Observe que el rango de energía mostrado cubre 14 órdenes de magnitud.

Ahora, el viaje interestelar en una nave espacial será diferente a dar vueltas alrededor del sol sobre un gran trozo de roca. Obviamente, tu nave espacial será mucho más pequeña. Esto se puede compensar reduciendo la frecuencia de aciertos con la proporción de la nave espacial: el área de la superficie terrestre. En segundo lugar, la Tierra se mueve dentro del sistema solar, donde la frecuencia de impacto con los objetos es ciertamente más alta que en el espacio interestelar. Sin embargo, sin importar los detalles exactos de su nave espacial, su viaje comenzará con varios años de viaje a través del sistema solar. Desde una perspectiva de evaluación de riesgos de frecuencia de aciertos, es aconsejable concentrarse en esta parte de su viaje. En tercer lugar, la Tierra atrae gravitatoriamente a cualquier objeto, mucho menos a su nave espacial. Este efecto no es significativo, ya que la velocidad media a la que los objetos pequeños chocan con la Tierra es de 20,3 km/s, muy por encima de la Tierra.

Finalmente, observo que la velocidad que alcanzamos con nuestra tecnología de vuelo espacial actual está impulsada por efectos gravitacionales (por ejemplo, tirachinas gravitacionales) y, por lo tanto, del mismo orden de magnitud que la velocidad a la que la Tierra viaja a través del sistema solar.

La conclusión de todo esto es que si su nave espacial es aproximadamente esférica con un diámetro de, digamos, 4 m (3.000.000 de veces más pequeña que la Tierra y, por lo tanto, en términos de área de superficie$10^{13}$veces más pequeño que la Tierra), observará una cantidad de objetos que golpean su nave espacial anualmente con una energía de impacto que excede una cifra dada de kilotones, es decir, 13 órdenes de magnitud más pequeña que la que se muestra en la figura.

Desafortunadamente, la figura no muestra datos más pequeños que$10^{-5}$kilotoneladas de TNT (10 kg de TNT, correspondientes a una partícula de 5 cm (2 pulgadas) de tamaño con densidad$3 \ g/cm^3$golpeando su nave espacial a una velocidad de 20 km/s). Tal explosión de TNT de 10 kg ciertamente destruiría su nave espacial. Sin embargo, la frecuencia de aparición es$10^5$por año reducido en 13 órdenes de magnitud, o$10^{-8}$eventos de más de 10 kg TNT por año.

Esa es una frecuencia de éxito con la que se puede vivir.

Podemos extrapolar a eventos menos energéticos, utilizando la ley de escala observada (la pendiente de -0,9 que se muestra en la figura). Necesitaría extrapolar a eventos mil millones de veces más pequeños (eventos más grandes que una potencia explosiva de TNT de 0,01 mg completamente insignificante) para alcanzar una frecuencia de éxito anual.

Mi conclusión es que el espacio, e incluso nuestro sistema solar, está bastante vacío. A las velocidades a las que viajamos, las colisiones con el polvo cósmico no representan una amenaza importante para los vuelos espaciales.

Que yo sepa, la mayor parte del polvo espacial está en el rango de los micrómetros, no en el rango de los milímetros. Es posible que desee consultar la entrada de Wikipedia sobre el polvo cósmico para obtener información sobre el polvo y las referencias que contiene.

Aquí hay dos documentos (ambos preprints encontrados en ArXiV.org) que brindan información:

1. Documento de 2009 de Dirkarev et al. La emisión térmica de microondas por polvo: I. Espectros de emisión térmica

   • Este documento indica que$mm$Los granos de tamaño mediano podrían afectar el CMB, pero en realidad no brinda informes detallados de los granos.

2. Papel de Bruce Draine de 2009 Modelos de polvo interestelar e implicaciones evolutivas

   • Este artículo dice que la extinción alrededor de 1500 Angstroms se debe a granos de radios menores a 0.02$\mu$m mientras que la extinción en el espectro visible es de 0,05$\mu$m <$a$<0.3$\mu$metro. Los constituyentes principales de estos granos son C, O, Mg, Si y Fe. Aproximadamente 1.2$M_\odot$de polvo se produce en la galaxia cada año

Si se trata de una investigación, es posible que desee considerar el uso de la base de datos astronómica de SAO/NASA para consultas de literatura.

La densidad media del medio interestelar es de 10^6 átomos por metro cúbico. Lo saqué directamente de MM Woolfson, On the Origin of Planets (Imperial College Press, Londres, 2011). Usé este libro de texto como referencia para un artículo sobre la formación de planetas, es bastante bueno.

En aras de la comparación (y una comparación descuidada), un litro de aire contiene aproximadamente 10 ^ 22 moléculas.

Según el artículo de Wikipedia "Medio interestelar" ( fuente ):

Nubes Moleculares: 100 a 1000000 átomos/ml.
CNM: 20 a 50 átomos/ml.
WNM: 0,2 a 0,5 átomos/ml.
WIM: 0,2 a 0,5 átomos/ml.
H II: 100 a 10000 átomos/ml.
Gas coronal: 0,0001 a 0,01 átomos/ml.

Que es menos denso incluso que las aspiradoras hechas por el hombre.

En realidad, los flujos más altos están, como cabría esperar, en los tamaños más pequeños cerca de 1 AU (es decir, la órbita de la Tierra). Los flujos de polvo con radios ~0.15-0.45$\mu$metro (11$\mu$m ~$10^{-11}$kg de sílice ) está entre$10^{-6}$-$10^{-5}$ $m^{-2} \ s^{-1}$(medido por los detectores de campo eléctrico en las naves espaciales Cassini y Wind ). La nave espacial STEREO pudo medir partículas más pequeñas, llamadas nanopolvo , con flujos de hasta 17-44$m^{-2} \ s^{-1}$.

Se cree que el polvo interestelar es principalmente del tamaño de una micra, mientras que el nanopolvo que mencioné se cree que es principalmente de origen interplanetario. El polvo del tamaño de una micra se mueve normalmente a unos 26 km/s en relación con la Tierra, de forma similar al gas helio neutro del espacio interestelar. El nanopolvo, por otro lado, puede alcanzar velocidades superiores a los 100 km/s porque son arrastrados por el flujo del viento solar .

Las partículas de polvo pequeñas tienden a penetrar aproximadamente el equivalente de sus radios en materiales de densidades similares cuando se mueven a altas velocidades. Sabemos que la antena de cable de varias naves espaciales (p. ej., Wind y THEMIS ) ha sido cortada por el polvo, así que sí, son capaces de causar algún daño. Sin embargo, no penetran a través del bus de la nave espacial en la mayoría de los casos, ya que Wind ha estado funcionando sin fallas durante más de 20 años (y la nave espacial Voyager durante más de 30).

Referencias

• DM Malaspina et al., "Polvo interplanetario e interestelar observado por el instrumento de campo eléctrico Wind/WAVES", Geophys. Res. Letón. 41 , págs. 266–272, doi:10.1002/2013GL058786, 2014.
• DM Malaspina et al., "Una base de datos de polvo interplanetario e interestelar detectado por la nave espacial Wind ", J. Geophys. Res. 121 , págs. 9369–9377, doi:10.1002/2016JA023209, 2016.
• N. Meyer-Vernet et al., "La importancia de las antenas monopolares para las observaciones de polvo: por qué Wind/WAVES no detecta nanopolvo", Geophys. Res. Letón. 41 , págs. 2716–2720, doi:10.1002/2014GL059988, 2014.