हम प्रयोगशाला में कमजोर धूल समुच्चय के बीच मध्यवर्ती वेग टकराव को कम वेग प्राप्त करने के लिए एक तकनीक मौजूद है. इस प्रयोजन के लिए, दो वैक्यूम ड्रॉप टावर setups की अनुमति है कि विकसित किया गया है <0.01 और ~ 10 मीटर / सेकंड के बीच टक्कर वेग. टक्कर की घटनाओं उच्च गति इमेजिंग द्वारा दर्ज की गई हैं.
जल्दी सौर मंडल में धूल समुच्चय के विकास की जांच करने के प्रयोजन के लिए, हम ऊपर आकारों के साथ नाजुक धूल समुच्चय ~ 70% तक 10 सेमी और porosities टकरा किया जा सकता है, जिसमें दो वैक्यूम ड्रॉप टावरों का विकास किया. बूंद टावरों में से एक मुख्य रूप से नीचे M 0.01 नीचे / सेक करने के लिए बहुत कम प्रभाव गति के लिए इस्तेमाल किया और एक डबल रिलीज तंत्र का उपयोग करता है. Collisions दो धूल समुच्चय के केंद्र के लिए बड़े पैमाने पर फ्रेम में ग्लास वैक्यूम ट्यूब के साथ गिर जाते जो दो उच्च गति कैमरा, स्टीरियो को देखने में दर्ज की गई हैं. अन्य मुक्त गिरावट टावर धीरे अप करने के लिए 5 मीटर / सेकंड धूल समुच्चय को तेज करने में सक्षम है कि एक विद्युत चुम्बकीय त्वरक का उपयोग करता है. मुक्त गिरावट के लिए किसी अन्य धूल कुल की रिलीज के साथ संयोजन में, टक्कर ~ 10 मीटर / सेकंड प्राप्त किया जा सकता करने के लिए गति. यहां, दो निश्चित उच्च गति कैमरों टक्कर घटनाओं रिकॉर्ड. वे हल्का कर रहे हैं और मैच के लिए इतना है कि दोनों ड्रॉप टावरों में, धूल समुच्चय टक्कर के दौरान मुक्त गिरावट में हैंजल्दी सौर प्रणाली में स्थितियां.
यह आम तौर पर ग्रह गठन (ब्लम और Wurm द्वारा समीक्षा देखें) 1 बड़ा धूल समुच्चय में microscopically छोटे धूल अनाज की गैर गुरुत्वाकर्षण संचय के साथ शुरू होता है कि स्वीकार कर लिया है. धूल के कणों के कारण ब्राउनियन गति, रिश्तेदार बहाव गतियों, और nebular गैस की अशांति के लिए उनके प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क के भीतर टकराने (एट अल Johansen द्वारा समीक्षा देखें.) 2. टक्कर वेग पर्याप्त रूप से कम कर रहे हैं, धूल कणों बड़ा agglomerates फार्म एक साथ चिपके रहते हैं. पिछले वर्षों में प्रयोगशाला माप का एक धन मनमाने ढंग से जनता और टक्कर वेग 3 के साथ धूल समुच्चय की एक जोड़ी के परिणाम की भविष्यवाणी है कि एक धूल से कुल टक्कर मॉडल के लिए नेतृत्व किया. बुनियादी collisional परिणाम, (छोटे कुल जनता और कम टक्कर वेग के लिए सामान्य) में चिपके हुए शेख़ी, और विखंडन (उच्च प्रभाव गति के लिए) कर रहे हैं. हालांकि, इन चरणों के बीच संक्रमण तेजी से नहीं कर रहे हैं और वहाँ अन्य रहे हैंपरिणामों की तरह, जैसे बड़े पैमाने पर स्थानांतरण या कटाव. एक ठेठ प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क के लिए इस मॉडल को लागू करने के कुछ हजार साल 4 भीतर सेमी आकार धूल समुच्चय के विकास भविष्यवाणी की है. सेमी आकार धूल समुच्चय की उपस्थिति बड़े पैमाने पर पिछले वर्षों में खगोल विज्ञान की टिप्पणियों से जांच की गई है और स्थापित के रूप में अब हम निष्कर्ष निकाल 5 इतना है कि (द्वारा Testi एट अल. समीक्षा देखें) माना जा सकता है कि सिद्धांत व्यवस्था है जिसके द्वारा पहली macroscopic निकायों युवा ग्रह प्रणालियों में फार्म की पहचान की गई है.
हालांकि, कम से कम किलोमीटर आकार के शव को आगे के विकास तो स्पष्ट नहीं है. स्थलीय ग्रह क्षेत्र के लिए, दो परिकल्पना वर्तमान में (.. भी Johansen एट अल द्वारा इस मामले पर हाल ही में समीक्षा 2 और Testi एट अल 5 देखें) चर्चा कर रहे हैं: सेमी आकार धूल समुच्चय (i) एकाग्रता, जैसे स्ट्रीमिंग अस्थिरता 6 और बाद GRAVITational पतन 7,8 और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रक्रिया 9,10,11 द्वारा बाद में जन अभिवृद्धि के साथ बड़े आकार के लिए कुछ 'भाग्यशाली विजेताओं "(ii) विकास. दोनों मॉडलों में, सेमी आकार धूल समुच्चय मध्यम वेग को कम से कम आपसी टकराव की एक विशाल संख्या से गुजरना. यह (शेख़ी) के अलावा इन टकराव के संभावित परिणामों क्या कर रहे हैं यह स्पष्ट नहीं है.
भुक्खड़ एट अल. 3 से धूल कुल टक्कर मॉडल में सुधार और प्रासंगिक वेग शासनों में macroscopic धूल समुच्चय के बीच और अधिक विस्तार में टकराव की जांच करने के लिए, हम में जो व्यक्ति सकल-कुल collisions कर सकते हैं, हमारी प्रयोगशाला में दो बूंद टावरों की स्थापना निर्वात और microgravity परिस्थितियों में महान विस्तार से अध्ययन किया. दोनों ड्रॉप टावरों अवलोकन समय ~ 0.5 सेकंड के लिए सीमा है, जो 1.5 मीटर के एक मुक्त गिरावट ऊंचाई, मेरे पास है. इस प्रकार, हम उच्च गति मेगापिक्सेल प्रारूप के साथ कैमरे और प्रति सेकंड 7500 फ्रेम द्वारा collisions निरीक्षण करते हैं.अधिकतम विपरीत और उच्च गति रिकॉर्डिंग के लिए, उज्ज्वल क्षेत्र रोशनी से चुना जाता है. प्रकाश इस प्रकार उच्च तीव्रता एलईडी पैनल द्वारा उपलब्ध कराए गए और विसारक स्क्रीन से homogenized है. इस प्रकार, उच्च गति कैमरों टकराने धूल एक प्रबुद्ध स्क्रीन के सामने के रूप में अंधेरे वस्तुओं समुच्चय देखने. चंचल से बचने के लिए, एल ई डी डीसी संचालित कर रहे हैं.
कम टक्कर वेग को प्राप्त करने के लिए, दो धूल समुच्चय एक डबल रिलीज व्यवस्था में एक दूसरे के ऊपर रखा जाता है. जी के साथ, वी = जी.टी. के एक रिश्तेदार वेग में कम एक परिणाम से पहले ऊपरी कुल टी के एक समय जारी = 9.81 मीटर / सेकंड 2 पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण त्वरण जा रहा है. दो दिशाओं के अलावा 90 डिग्री से टक्कर देखने जो दो उच्च गति कैमरों,, आम तौर पर दो धूल समुच्चय के बीच में जारी किया जाता है (आमतौर पर ऊपरी कण के बाद / 2 टी). कैमरों कैमरे के प्रभाव से समाप्त होता है, जो सतत रिकॉर्डिंग मोड में चलानेरेत बाल्टी में धारकों. इस परिचालन मोड में अधिकतम फ्रेम दर मेगापिक्सेल संकल्प पर प्रति सेकंड 1000 छवियों है. इस स्थापना के साथ, M / सेक हासिल किया गया है 0.01 नीचे करने के लिए नीचे वेग. कारण डबल रिलीज तंत्र के यांत्रिक सेटअप की सीमाओं के कारण, अधिकतम रिश्तेदार टक्कर गति ~ 3 मीटर / सेकंड है. आकार में 5 सेमी के साथ धूल समुच्चय को शामिल collisions इस ड्रॉप टावर में जांच की गई है. उच्च टक्कर वेग के लिए साइन अप सुचारू रूप से धूल एक ऊर्ध्वाधर ऊपर की दिशा में 5 मीटर / सेकंड तक का समुच्चय में तेजी लाने के लिए सक्षम है कि एक विद्युत चुम्बकीय त्वरक के साथ सुसज्जित है जो ~ 10 मीटर / सेकंड, एक दूसरे ड्रॉप टावर प्रयोग किया जाता है, के लिए. अन्य धूल कुल एक डबल विंग जाल दरवाजा रिलीज तंत्र द्वारा आयोजित किया जाता है और किसी भी समय में मुक्त गिरावट में रोटेशन से मुक्त जारी किया जा सकता है. यहां, यह मुक्त गिरने कैमरों का उपयोग करने के लिए मतलब नहीं है. हम नहीं बल्कि दूसरे और मेगापिक्सेल संकल्प प्रति 7,500 फ्रेम के साथ दो स्थिर उच्च गति कैमरों का उपयोग करें. कारण बड़ा DIAMET कोइस ड्रॉप टावर के एर, धूल (और संभवतः ऊपर) आकार में 10 सेमी इस्तेमाल किया जा सकता है अप करने के लिए समुच्चय.
कारण उच्च यांत्रिक परिशुद्धता के लिए, दोनों ड्रॉप टावरों की असफलता की दर बहुत कम है. नमूना तैयार आकार, आकृति और वांछित धूल समुच्चय के porosity पर निर्भर करता है, कई घंटे तक का समय लग सकता है, क्योंकि यह अत्यंत महत्वपूर्ण है. यह बहुत ही उच्च porosities साथ बड़ी धूल समुच्चय है, इस प्रकार, संभालना मुश्किल अत्यंत कमजोर हैं और कि उल्लेख किया जाना चाहिए. यह इन धूल समुच्चय ड्रॉप टावर को मोल्ड या हस्तांतरण बंद निकासी के दौरान तोड़ कि हो सकता है. इन मामलों में, एक नया नमूना तैयार हो गया है. इस प्रकार, यह छोटी सी बूंद टावर विश्वसनीय (और उम्मीद के मुताबिक) टक्कर वेग नीचे 0.01 मीटर / सेकंड 11,13 करने की अनुमति देता है कि महत्वपूर्ण है. अब तक हासिल की सबसे कम प्रभाव गति 0.004 मीटर / सेकंड था. इन छोटे प्रभाव वेग केवल एक microgravity वातावरण में मुक्त कणों के लिए पहुंचा जा सकता है. प्रयोगशाला ड्रॉप टावर ऐसे एक microgravity सुविधा का एक सस्ता और बहुमुखी अहसास है.
Alternatiकम प्रभाव गति (विद्युत या वायुगतिकीय उत्तोलन द्वारा जैसे), लेकिन आम तौर पर टकराव के विश्लेषण में ध्यान में रखा जाना है जो टकराने कणों के बीच एक बल प्रेरित उत्तोलन तकनीक 14,15 का उपयोग कर प्राप्त करने के तरीकों की है. इसके अलावा, उत्तोलन अक्सर अवांछित हैं, रोटेशन से मुक्त collisions की अनुमति नहीं है लेकिन, दूसरी ओर, यहां तक कि घूर्णन कणों के बीच टकराव के यथार्थवादी सिमुलेशन की अनुमति हो सकती है, जो घूर्णी गति 14, लाती है. वायुगतिकीय उत्तोलन के मामले में टकराव के दौरान एयर कुशन प्रभाव प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क में उन मेल नहीं खाते हैं कि अवांछित स्थितियां पैदा हो सकती है. यह समय सीमा आवश्यक है यदि ड्रॉप टावर के लिए एक विकल्प पर विचार किया जाना है, इसलिए है कि हालांकि, उत्तोलन असीमित अवलोकन समय और repeatable प्रयोगों के लिए अनुमति देता है. हमारे सभी प्रयास अभी तक स्थलीय ग्रह गठन के आर में सिलिकेट के एक प्रतिनिधि के रूप में 2 Sio पर ध्यान केंद्रित किया गया हैयुवा सौर प्रणाली के egion. प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क के द्रव्यमान का सबसे ज्यादा पानी बर्फ का संक्षेपण सीमा से ज्यादा ध्यान केंद्रित किया है, यह भी माइक्रोन आकार एच 2 ओ बर्फ अनाज से मिलकर समुच्चय की टक्कर व्यवहार का अध्ययन करने के लिए आवश्यक है. वर्तमान में हम इस उद्देश्य के लिए एक क्रायो वैक्यूम ड्रॉप टावर स्थापित कर रहे हैं. यह इस तरह के अनुकरण के प्रयोगों में तापमान नीचे "बर्फ रेखा" जल वाष्प में है जहां भीतरी क्षेत्रों बांटता प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क में तथाकथित "बर्फ रेखा" (के तापमान है जो ~ 150 कश्मीर, होना चाहिए कि ध्यान दिया जाना चाहिए यह) ठोस पानी बर्फ के रूप में पाया जाता है, जहां बाहरी क्षेत्रों से चरण. हम माइक्रोन आकार के पानी में बर्फ के कणों का गठन संभव है और हम अगले 1-2 वर्षों के भीतर उनकी टक्कर व्यवहार पर पहला परिणाम है आशावादी हैं कि ताकि समुच्चय उसके 16 का उत्पादन किया जा सकता है कि पता चला है कि.
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 |