Vi præsenterer en teknik til at opnå lav hastighed til mellemliggende hastighed kollisioner mellem skrøbelige støv aggregater i laboratoriet. Til dette formål har to vakuum drop-tårn opsætninger blevet udviklet, som tillader kollision hastigheder mellem <0,01 og ~ 10 m / sek. De kollision hændelser registreres af high-speed billedbehandling.
Med henblik på at undersøge udviklingen af støv aggregater i det tidlige solsystem, vi udviklet to vakuum dråbe tårne, hvor skrøbelige støv aggregater med størrelser op til ~ 10 cm og porøsiteter på op til 70% kan kolliderede. En af drop tårne bruges primært til meget lav effekt hastigheder ned til under 0,01 m / sek og gør brug af en dobbelt udløsning. Kollisioner er optaget i stereo-view af to high-speed kameraer, der falder langs glas vakuum rør i centrum-of-masse stel af de to støv aggregater. Den anden frit fald tårn gør brug af en elektromagnetisk accelerator, der er i stand til forsigtigt accelerere støv aggregater op til 5 m / sek. I kombination med udgivelsen af en anden støv aggregat til frit fald, kollision hastigheder op til ~ 10 m / sek kan opnås. Her to faste high-speed kameraer registrerer kollision begivenheder. I begge dråbe tårne, støv aggregater er i frit fald under kollisionen, så de er vægtløs og matcheforhold i det tidlige solsystem.
Det er generelt accepteret, at planet dannelse starter med den ikke-gravitationelle ophobning af mikroskopisk små støvkorn i større støv aggregater (se gennemgang af Blum & Wurm) 1.. Støvpartikler kolliderer inden for deres protoplanetariske diske på grund af Brownsk bevægelse, relativ afdrift bevægelser, og turbulens gaskyen (se gennemgang af Johansen et al.) 2.. Hvis kollision hastigheder er tilstrækkelig lav, støvpartikler klæber sammen til dannelse af større agglomerater. Et væld af laboratoriemålinger i de seneste år har ført til en støv-aggregat kollision model, der forudsiger resultatet af et par støv aggregater med vilkårlige masser og kollision hastigheder 3. De grundlæggende collisional resultater stikning (generelt for små aggregerede masser og lave kollision hastigheder), hoppe, og fragmentering (for høj impact hastigheder). Men overgangene mellem disse faser er ikke skarpe, og der er andreresultater, som f.eks massetransport eller erosion. Anvendelsen af denne model til en typisk protoplanetariske disk forudsiger vækst af cm mellemstore støv aggregater inden for et par tusinde år 4. Tilstedeværelsen af cm-størrelse støv aggregater er blevet grundigt undersøgt af astronomiske observationer i de seneste år, og nu kan betragtes som oprettet (se gennemgang af Testi et al.) 5, således at vi konkludere, at det princip, mekanisme, hvormed de første makroskopiske organer unge planetsystemer formular er blevet identificeret.
Men den yderligere vækst på organer mindst km størrelser er ikke så klar. For det jordbaserede planeten region, der er to hypoteser i øjeblikket drøftes (se også de seneste anmeldelser vedrørende dette spørgsmål inden Johansen m.fl. 2 og Testi m.fl. 5..): (I) koncentration af cm mellemstore støv aggregater ved, fx streaming ustabilitet 6 og efterfølgende Gravitnelle kollaps 7,8 og (ii) væksten i et par "heldige vindere" til større størrelser med efterfølgende masse tilvækst ved proces masse-overførsel 9,10,11. I begge modeller cm størrelse støv aggregater gennemgå et enormt antal af gensidige kollisioner ved lav til moderat hastigheder. Det er uklart, hvad de mulige udfald af disse kollisioner (udover hoppende) er.
At forbedre støv samlede kollision model af Güttler et al. 3 og til at undersøge nærmere kollisionerne mellem makroskopiske støv aggregater i de relevante velocity regimer, vi oprettet to drop tårne i vores laboratorium, hvor de enkelte aggregerede-aggregat kollisioner kan studeres i stor detalje under vakuum og vægtløshed forhold. Begge drop tårne besidder en fri faldhøjde på 1,5 m, hvilket begrænser observationstiden til ~ 0,5 sek. Således ser vi kollisioner ved high-speed kameraer med megapixel-format og op til 7.500 frames per sekund.For at opnå maksimal kontrast og høje optagehastigheder er lysfeltbelysning vælges. Belysning er således tilvejebragt ved høj intensitet LED-paneler og homogeniseres ved diffuser skærme. Således se high-speed kameraer kolliderende støv aggregater som mørke objekter foran en oplyst skærm. For at undgå flimmer, lysdioder DC-spænding.
For at opnå lave kollision hastigheder, er de to støv aggregater placeret over hinanden i en dobbelt udløsning. Frigivelse den øverste aggregat et tidspunkt t, før den nederste resulterer i en relativ hastighed på v = gt, med g = 9,81 m / sek 2 er tyngdeaccelerationen på Jorden. De to high-speed kameraer, som vist kollisionen fra to retninger 90 ° fra hinanden, typisk udgivet i mellem de to støv aggregater (typisk t / 2 efter den øverste partikel). Kameraerne kører i kontinuerlig optagefunktion, som afsluttes med virkningen af kameraetholdere til sand spande. Den maksimale billedhastighed i denne driftsmåde er 1.000 billeder pr sekund ved megapixel opløsning. Med denne opsætning hastigheder ned til under 0,01 m / sek er nået. På grund af begrænsninger i mekanisk opsætning af dobbelt udløsningsmekanisme den maksimale relative kollisionshastighe er ~ 3 m / sek. Kollisioner med støv aggregater med op til 5 cm i størrelse er blevet undersøgt i denne drop tårn. For højere kollision hastigheder op til ~ 10 m / sek, en anden drop tårn anvendes, som er udstyret med en elektromagnetisk accelerator, der er i stand til problemfrit at fremskynde støv aggregater op til 5 m / sek i lodret opadgående retning. Den anden støv aggregat holdes af en dobbelt-wing Falddør udløsningsmekanisme og kan frigives rotation-fri i frit fald på et givent tidspunkt. Her giver det ikke mening at bruge frit faldende kameraer. Vi bruger snarere to stationære high-speed kameraer med op til 7.500 frames per sekund og megapixel opløsning. På grund af den større diametis af dette fald tårn, støv aggregater op til (og muligvis ovenfor) 10 cm i størrelse kan bruges.
På grund af den høje mekaniske præcision, den fejlrate på både dråbe tårne er ekstremt lav. Det er af allerstørste betydning, fordi forberedelse af prøven kan tage op til flere timer, afhængigt af størrelse, form og porøsitet af de ønskede støv aggregater. Det bør nævnes, at store støv aggregater med meget høje porøsiteter er meget skrøbelige og dermed vanskelig at håndtere. Det kan forekomme, at disse støv aggregater i stykker under udvinding fra formen eller overførsel til drop tårn. I disse tilfælde, en ny prøve skal forberedes. Derfor er det vigtigt, at den lille dråbe tårn giver pålidelige (og forudsigelige) kollision hastigheder ned til 0,01 m / sek 11,13. Den laveste anslagshastighed hidtil opnåede, var 0,004 m / sek. Disse små indvirkning hastigheder kan kun nås for frie partikler i en vægtløshed miljø. Laboratoriet drop tårnet er en billig og alsidig realisering af en sådan vægtløshed facilitet.
Alternative metoder til at opnå lav effekt hastigheder gør brug af levitation teknikker 14,15 (fx ved elektromagnetisk eller aerodynamisk levitation), men generelt inducerer en kraft mellem de kolliderende partikler, som der skal tages hensyn til i analysen af kollisioner. Desuden levitation ofte inducerer rotationsbevægelse 14, der, hvis uønskede, ikke tillader rotation uden kollisioner, men på den anden side kunne endda tillade realistiske simuleringer af kollisioner mellem roterende partikler. I tilfælde af aerodynamisk levitation kan luftpuder effekter under kollisionen fremkalde uønskede forhold, der ikke passer dem i protoplanetariske diske. Men levitation tillader ubegrænset observationstidspunkt og gentagelige eksperimenter, således at det skal betragtes som et alternativ til drop tårnet, hvis tidsbegrænsningen er afgørende. Alle vores bestræbelser har hidtil været koncentreret om SiO 2 som en repræsentant for silikater i det jordbaserede planeten dannelse rEgion af unge Solar Systems. Da de fleste af massen af protoplanetare diske er koncentreret over fortætningspunktet vandis, er det vigtigt også at undersøge kollision adfærd aggregater bestående af um-størrelse H 2 O-iskorn. Vi er ved at oprette en cryo-vakuum drop tårn til dette formål. Det skal bemærkes, at temperaturerne i disse simulation eksperimenter skal være under ~ 150 K, som er temperaturen af den såkaldte "sne linje" i protoplanetariske diske ("den sne line" opdeler de indre regioner, hvor vandet er i damp fase fra de ydre regioner, hvor den findes som fast vand is). Vi har vist, at dannelsen af mikrometer-størrelse vand-is partikler er mulig og at aggregater deraf kan fremstilles 16, så vi er optimistiske at have de første resultater på deres kollision adfærd inden for de næste 1-2 år.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), and the TU Braunschweig for continual support of our laboratory activities. The low-velocity drop tower has been established under DLR grant 50WM0936, the high-velocity drop tower has been developed under DFG grant INST 186/959-1 as part of the CRC 963 “Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence”.
Monodisperse SiO2 particles | Micromod | 43-00-153 | Particle diameter 1.52 ± 0.06 µm; particle shape spherical |
Polydisperse SiO2 particles | Sigma-Aldrich | S5631 | Particle diameter 0.1 – 10 µm; particle shape irregular |