Laboratorium Drop Towers voor de Experimentele Simulatie van Dust-aggregaat Botsingen in de vroege zonnestelsel
Summary
Wij presenteren een techniek voor lage snelheid bereiken intermediaire snelheid botsingen tussen fragiele stof aggregaten in het laboratorium. Daartoe zijn twee vacuümdaaltijd-toren opstellingen ontwikkeld waarmee botsing snelheden tussen <0,01 en ~ 10 m / sec. De botsing gebeurtenissen worden geregistreerd door high-speed imaging.
Abstract
Voor het onderzoek naar de ontwikkeling van stof aggregaten begin Solar System, ontwikkelden we twee vacuümdaaltijd torens waarin breekbare stof aggregaten met afmetingen tot ~ 10 cm en porositeiten tot 70% kan worden botsing. Een van de torens daling wordt voornamelijk gebruikt voor zeer lage impact snelheden tot onder 0,01 m / sec en maakt gebruik van een dubbele ontgrendeling. Botsingen worden opgenomen in stereo-weergave door twee high-speed camera's, die langs de glazen vacuümbuis vallen in het centrum-van-massa frame van de twee stof aggregaten. De andere vrije val toren gebruikt een elektromagnetische versneller die in staat is licht versnellen stof aggregaten tot 5 m / sec. In combinatie met de introductie van een andere stof totale vrije val, botsing snelheden tot ~ 10 m / s worden bereikt. Hier, twee vaste high-speed camera's registreren de botsing gebeurtenissen. In beide druppel torens, de stof aggregaten in vrije val tijdens de botsing zodat ze gewichtloos en overeenkomen met deomstandigheden in het vroege zonnestelsel.
Introduction
Het is algemeen aanvaard dat planeetvorming begint met de niet-gravitationele accumulatie van microscopisch kleine stofdeeltjes in grotere stof aggregaten (zie recensie van Blum & Wurm) 1. De stofdeeltjes botsen binnen hun protoplanetaire schijven als gevolg van de Brownse beweging, relatieve afwijking moties en turbulentie van de nevel gas (zie recensie van Johansen et al..) 2. Als de botsing snelheden voldoende laag zijn, de stofdeeltjes aan elkaar plakken tot grotere agglomeraten. Een schat van laboratorium metingen over de afgelopen jaren hebben geleid tot een stof-aggregaat botsing model dat de uitkomst van een paar stof aggregaten met willekeurige massa en botsing snelheden 3 voorspelt. De basis botsingsstralingsmodellen resultaten steken (in het algemeen voor kleine totale massa en lage botsing snelheden), stuiteren, en fragmentatie (voor high impact snelheden). De overgangen tussen deze fasen niet scherp en er zijn andereuitkomsten, zoals, bijvoorbeeld massa-overdracht of erosie. Het toepassen van dit model naar een typische protoplanetaire schijf voorspelt de groei van de cm-sized stof aggregaten binnen een paar duizend jaar 4. De aanwezigheid van cm-en kleinbedrijf stof aggregaten is uitgebreid onderzocht door astronomische waarnemingen van de afgelopen jaren en kan nu worden beschouwd als vastgesteld (zie recensie van Testi et al..) 5, zodat we concluderen dat het beginsel mechanisme waardoor de eerste macroscopische lichamen bij jonge planetenstelsels formulier is geïdentificeerd.
De verdere groei organen van ten minste kilometer afmetingen is niet zo duidelijk. Voor de terrestrische planeet regio, zijn twee hypotheses momenteel besproken (zie ook de recente recensies over deze zaak door Johansen et al. 2 en Testi et al. 5..): (I) de concentratie van de cm-sized stof aggregaten door bijvoorbeeld de streaming instabiliteit 6 en latere Gravitationale instorting 7,8 en (ii) de groei van een paar "lucky winners" naar grotere maten met daaropvolgende massale aanwas door de massa-overdracht 9,10,11. In beide modellen, cm-sized stof aggregaten ondergaan een enorm aantal onderlinge botsingen bij lage tot matige snelheden. Het is onduidelijk wat de mogelijke uitkomsten van deze botsingen (naast stuiteren) zijn.
Om het stof-aggregaat botsingsmodel door Güttler et al.. 3 te verbeteren en om te onderzoeken in meer detail de botsingen tussen macroscopische stof aggregaten in de relevante snelheid regimes, zetten we twee druppel torens in ons laboratorium, waarin individuele aggregaat-aggregaat botsingen kunnen worden bestudeerd in detail onder vacuüm en microzwaartekracht. Beide druppel torens bezitten een vrije val hoogte van 1,5 m, die de observatie tijd om ~ 0.5 sec beperkt. Zo zien we de botsingen door high-speed camera's met een megapixel-indeling en tot 7500 frames per seconde.Voor maximaal contrast en hoge opnamesnelheden, is bright-field verlichting gekozen. Verlichting wordt aldus door hoge intensiteit LED-panelen en gehomogeniseerd door diffuser schermen. Zo is de high-speed camera's de botsende stof aggregaten als donkere objecten in de voorkant van een verlicht scherm. Om flikkeren te voorkomen, zijn de LED's DC gevoed.
Om vanaf botsing snelheden te bereiken worden de twee stof aggregaten boven elkaar geplaatst in een dubbele vergrendelingsmechanisme. Het loslaten van de bovenste aggregaat een tijd van t voordat de onderste resultaten in een relatieve snelheid van v = gt, met g = 9,81 m / sec 2 zijnde de valversnelling van de aarde. De twee high-speed camera's, die de botsing van twee kanten 90 ° uit elkaar bekijken, typisch vrij tussen de twee stof aggregaten (typisch t / 2 na de bovenste deeltje). De camera zal continue opnamestand, die wordt afgesloten door de impact van de camerahouders in zand emmers. De maximale framesnelheid in deze operationele modus is 1000 beelden per seconde bij megapixel resolutie. Met deze opstelling, snelheden tot onder 0,01 m / sec zijn bereikt. Vanwege beperkingen van de mechanische opstelling van een dubbele ontgrendeling, de maximale relatieve botssnelheid ~ 3 m / sec. Aanvaringen met stof aggregaten met tot 5 cm groot zijn onderzocht in deze daling toren. Voor hogere snelheden botsing tot ~ 10 m / s, een tweede druppel toren wordt gebruikt, die is uitgerust met een elektromagnetische versneller die in staat is om vlot te accelereren stof combineert maximaal 5 m / s in verticale opwaartse richting. De andere stof aggregaat wordt gehouden door een dubbel-vleugel valluik ontgrendeling en kan worden vrijgegeven rotatievrije in een vrije val op een gegeven moment. Hier, is het niet zinvol om een vrije val camera's te gebruiken. We gebruiken in plaats van twee stationaire high-speed camera's met maximaal 7500 beelden per seconde en megapixel resolutie. Door de grotere Diameter of deze daling toren, stof aggregaten van (en mogelijk hoger) 10 cm groot kan worden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Door de hoge mechanische precisie, de failure rate van beide druppel torens is extreem laag. Dit is van het grootste belang, omdat de monstervoorbereiding kan duren tot enkele uren, afhankelijk van de grootte, vorm en porositeit van de gewenste stof aggregaten. Opgemerkt moet worden dat grote aggregaten stof met zeer hoge porositeit zijn zeer kwetsbaar en dus moeilijk hanteerbaar. Het kan voorkomen dat deze stof aggregaten breken tijdens de extractie uit de mal of overdracht naar de drop toren. In dat geval zal een nieuw monster worden bereid. Het is dus belangrijk dat het druppeltje toren een nauwkeurige (en voorspelbare) botsing snelheden tot 0,01 m / sec 11,13. De laagste botssnelheid tot dusver bereikte was 0.004 m / sec. Deze kleine botsingssnelheden kan alleen worden bereikt voor vrije deeltjes in een microzwaartekrachtomgeving. Het laboratorium druppel toren is een goedkoop en veelzijdig realisatie van een dergelijke microgravity faciliteit.
Alternative werkwijzen te bereiken lage botsingssnelheid maken levitatie 14,15 technieken (bijv. door aërodynamische en elektromagnetische levitatie) maar algemeen leiden tot een kracht tussen de botsende deeltjes, die moet bij de analyse van de botsingen rekening worden gehouden. Bovendien levitatie induceert vaak rotatiebeweging 14, die, als ongewenst, niet mogelijk rotatievrije botsingen maar aan de andere kant kan zelfs mogelijk realistische simulaties van botsingen tussen roterende deeltjes. In het geval van aërodynamische levitatie, kan luchtkussen effecten tijdens de botsing ongewenste omstandigheden die niet overeenkomen met die in protoplanetaire schijven induceren. Echter, levitatie geen beperkingen observatietijd en herhaalbare experimenten, zodat het moet worden beschouwd als een alternatief voor de daling toren als de tijdslimiet is essentieel. Al onze inspanningen zijn tot dusver geconcentreerd op SiO 2 als een vertegenwoordiger van de silicaten in het aardse-planeetvorming region van jonge Solar Systems. Aangezien de meeste massa protoplanetaire schijven geconcentreerd voorbij het condensatiepunt van waterijs, is het essentieel om tevens na botsingsgedrag aggregaten bestaande uit micrometer-sized H2O ijs korrels. We zijn momenteel het opzetten van een cryo-vacuümdaaltijd toren voor dit doel. Opgemerkt zij dat de temperaturen in deze simulaties hieronder moet ~ 150 K, de temperatuur van de zogenaamde "sneeuwgrens" in protoplanetaire schijven (de "sneeuwgrens" deelt de binnenliggende gebieden waar water in de damp fase van de buitenste regio's waar het is gevonden als vaste waterijs). We hebben aangetoond dat de vorming van micrometer-sized water ijsdeeltjes haalbaar is en dat aggregaten daarvan kunnen worden geproduceerd 16 zodat we optimistisch eerste resultaten op hun botsing gedrag binnen de volgende 1-2 jaar.
Disclosures
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).
