Лаборатория падения башни для экспериментального моделирования пыли совокупных столкновениях в ранней Солнечной системе
Summary
Мы представляем технику для достижения низкой скорости столкновения средней скорости между хрупких пыли агрегатов в лаборатории. Для этого, два вакуумных раскрывающемся башенные установок были разработаны, которые позволяют скоростях столкновения между <0,01 и ~ 10 м / с. События столкновений регистрируются высокоскоростной обработки изображений.
Abstract
С целью исследования эволюции пыли агрегатов в ранней Солнечной системе, мы разработали два вакуум падение башни, в которых хрупкие пыли агрегаты размером до ~ 10 см и пористость до 70% может быть столкнулись. Один из падение башен в основном используется для очень низких скоростях воздействия вплоть до ниже 0,01 м / сек и использует механизм двойного релиза. Столкновения записываются в стерео-зрения двумя высокоскоростными камерами, которые падают вдоль стеклянной вакуумной трубки в системе центра масс рамках двух пыли агрегатов. Другой Башня свободного падения использует электромагнитного ускорителя, который способен мягко ускорения пыли агрегаты для до 5 м / с. В сочетании с выпуском другого пыли совокупности к свободного падения, столкновения на скорости до ~ 10 м / с может быть достигнута. Здесь две неподвижные высокоскоростные камеры записывать события столкновения. В обоих падение башен, пыль агрегаты в свободном падении во время столкновения так, что они совпадают и невесомойусловия в ранней Солнечной системе.
Introduction
Принято считать, что формирование планеты начинается с негравитационной накопления микроскопически малых пылинок в более крупные пылевые агрегатов (см. обзор по Blum & Вурм) 1. Частицы пыли сталкиваются в своих протопланетных дисков из-за броуновского движения, относительных движений дрейфа, и турбулентности туманности газа (см. обзор по Йохансен и др..) 2. Если скорости столкновения являются достаточно низкими, пылевые частицы слипаются в более крупные агломераты. Богатство лабораторных измерений за последние годы привели к модели столкновений пыли совокупности, которая предсказывает исход пары пыли агрегатов с произвольными массами и скоростях столкновения 3. Основные столкновительные результаты придерживаться (в целом для малых совокупных масс и малых скоростях столкновения), подпрыгивая, и фрагментация (для высокой скорости воздействия). Тем не менее, переходы между этими фазами не острые и есть другиерезультаты, как, например, перенос массы или эрозии. Применяя эту модель к типичному протопланетного диска прогнозирует рост см размера пылевых агрегатов в течение нескольких тысяч лет 4. Наличие см размера пылевых агрегатов была широко исследована астрономических наблюдений за последние годы, и теперь можно считать установленным (см. обзор по Тести и др.). 5, так что мы приходим к выводу, что принцип механизм, по которому первые макроскопические тела в молодых планетных систем была определена форма.
Тем не менее, дальнейший рост в органы по крайней мере размеров километровых не очень понятно. Для региона наземного планеты, две гипотезы в настоящее время обсуждается (см. также недавние отзывы по этому вопросу от Йохансен и др. 2 и Тести и др. 5..): (Я) концентрация см размера пылевых агрегатов на, например, потокового нестабильность 6 и последующее GravitРОКУ Национальная крах 7,8 и (II) рост нескольких "счастливчиков" до больших размеров с последующей массовой аккреции процесса массообмена 9,10,11. В обеих моделях см размера пыли агрегаты пройти огромное количество взаимных столкновений на низких и умеренных скоростях. Неясно, что возможные результаты этих столкновений (кроме подпрыгивая) являются.
Для улучшения пыли совокупная модель столкновения по Güttler др.. 3 и исследовать более подробно столкновения среди макроскопических пыли агрегатов в соответствующих режимов скорости, мы создали два падения башен в нашей лаборатории, в которой отдельные совокупные-агрегат столкновения может быть подробно изучены в вакууме и невесомости условиях. Оба падение башни обладают высоту свободного падения 1,5 м, что ограничивает время наблюдения до ~ 0,5 сек. Таким образом, мы наблюдаем столкновения высокоскоростными камерами с форматом мегапиксельной и до 7500 кадров в секунду.Для максимального контраста и высокой скорости записи, светлого поля освещение выбирается. Освещение, таким образом, обеспечивается высокой интенсивности светодиодных панелей и гомогенизируют экранов диффузора. Таким образом, высокоскоростные камеры смотреть столкновения пыль собирает, как темные объекты перед освещенной экране. Чтобы избежать мерцания, светодиоды = питание.
Для достижения низких скоростях столкновения, обе пыли агрегаты размещаются друг над другом в механизме двойного релиза. Освобождение верхней агрегировать время т до нижних одного приводит к относительной скорости у = GT, с г = 9,81 м / с 2, являющийся гравитационное ускорение Земли. Две камеры высокоскоростные, которые рассматривают столкновение с двух сторон 90 ° друг от друга, как правило, выпускаются в между двумя пыли агрегатов (как правило, T / 2 после верхней частицы). Камеры работают в непрерывном режиме записи, которая прекращается в результате воздействия на камерудержатели в песок ведра. Максимальная частота кадров в этом рабочем режиме составляет 1000 кадров в секунду при мегапиксельным разрешением. С помощью этой установки, скорости до температуры ниже 0,01 м / сек были достигнуты. Из-за ограничений механической установки механизма двойного выпуска, максимальная относительная скорость столкновения ~ 3 м / сек. Столкновения с участием пыли агрегаты с до 5 см в диаметре были исследованы в этом раскрывающемся башни. При более высоких скоростях столкновения до ~ 10 м / с, второй башни падение используется, который оснащен электромагнитным ускорителем, который способен к плавно ускорить пыль агрегатов до 5 м / с в вертикальном направлении вверх. Другой пыли совокупности принадлежит двустворчатой люк механизма выпускным и может быть выпущен вращение-бесплатно в свободное падение в любой момент времени. Вот, это не имеет смысла использовать свободного падения камеры. Мы лучше использовать два стационарных камер высокоскоростных с до 7500 кадров в секунду и мегапиксельным разрешением. Из-за большого DiametER этой капли башни, пыль агрегатов до (и, возможно, выше) 10 см в диаметре могут быть использованы.
Protocol
Representative Results
Discussion
В связи с высокой механической точностью, отказов обоих падения башен является крайне низким. Это имеет первостепенное значение, так как подготовка проб может занять до нескольких часов, в зависимости от размера, формы и пористости желаемых пыли агрегатов. Следует отметить, что крупные частицы пыли агрегаты с очень высокой пористостью чрезвычайно хрупки и, таким образом, трудно обращаться. Может случиться, что эти пылевые агрегаты сломать во время извлечения от плесени или передачи в раскрывающемся башни. В этих случаях, новый образец должен быть подготовлен. Таким образом, важно, что небольшое падение башни позволяет надежно (и предсказуемые) скоростях столкновения до 0,01 м / 11,13. Самая низкая скорость воздействия до сих пор достигнуто было 0,004 м / с. Эти небольшие скорости воздействия может быть достигнуто только для свободных частиц в условиях микрогравитации. Лаборатория падение башни является дешевым и универсальным реализация такого микрогравитации объекта.
Alternatiве методы для достижения низких скоростях воздействия использовать методы левитации 14,15 (например, путем электромагнитной или аэродинамического левитации), но в целом вызывают силы между сталкивающихся частиц, который должен приниматься во внимание при анализе столкновений. Кроме того, левитация часто вызывает вращательное движение 14, который, если нежелательные, не позволяет столкновений вращения свободной, но, с другой стороны, возможно, даже позволит реалистичное моделирование столкновений между вращающимися частиц. В случае аэродинамического левитации, на воздушной подушке эффекты во время столкновения может вызвать нежелательные режимы, которые не соответствуют тем, в протопланетных дисков. Однако, левитация позволяет в течение неограниченного времени наблюдения и повторяемых экспериментов, так что он должен быть рассматриваться как альтернатива раскрывающегося башни, если ограничение по времени имеет важное значение. Все наши усилия до сих пор были сосредоточены на SiO 2 в качестве представителя силикатов в земной планетой образования гEgion молодых Солнечных Систем. Поскольку большая часть массы протопланетных дисков сосредоточено за точку конденсации водяного льда, важно также изучить поведение агрегатов, состоящих из H 2 O зерен льда мкм размера столкновения. В настоящее время мы настройке крио-вакуумный падение башни для этой цели. Следует отметить, что температуры в таких имитационных экспериментов должна быть ниже ~ 150 К, что температура так называемой "снеговой линии» в протопланетных дисков ("Снеговая линия" делит внутренние области, где вода в парах фаза из внешних областей, где она находится как твердого водяного льда). Мы показали, что образование частиц водяного льда мкм размера возможно и что агрегаты соединения могут быть получены 16, так что мы с оптимизмом иметь первые результаты по их поведению столкновений в течение ближайших 1-2 лет.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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”.
Materials
| 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 |
References
- Blum, J., Wurm, G. The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).
- Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. The Multifaceted Planetesimal Formation Process. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).
- Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
- Zsom, A., Ormel, C. W., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
- Testi, L., et al. Dust Evolution in Protoplanetary Disks. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).
- Youdin, A. N., Goodman, J. Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).
- Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity. The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).
- Bai, X. N., Stone, J. M. Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation. The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).
- Windmark, F., Birnstiel, T., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h. Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth. Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).
- Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth. Astronomy and Astrophysics. , 544 (2012).
- Garaud, P., Meru, F. From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).
- Schräpler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates. The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).
- Beitz, E., Güttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates. The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).
- Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).
- Jankowski, T., et al. Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains. Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).
- Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments – I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy. Icarus. 214, 717-723 (2011).
