Laboratorio di goccia Torri per la simulazione sperimentale di collisioni Dust-aggregati nel sistema solare
Summary
Vi presentiamo una tecnica per raggiungere bassa velocità di collisioni intermedia velocità tra aggregati di polvere fragili in laboratorio. A questo scopo, due configurazioni vuoto drop-torre sono stati sviluppati che consentono velocità di collisione tra <0,01 e ~ 10 m / sec. Gli eventi di collisione vengono registrati da immagini ad alta velocità.
Abstract
Per lo scopo di indagare l'evoluzione degli aggregati di polvere nei primi anni del Sistema Solare, abbiamo sviluppato due torri di caduta vuoto in cui aggregati di polvere fragili con dimensioni fino a circa 10 cm e porosità fino al 70% possono essere scontrati. Una delle torri di caduta viene utilizzato principalmente per la velocità d'impatto molto in basso, al di sotto di 0.01 m / sec e si avvale di un meccanismo di doppia uscita. Le collisioni sono registrati in stereo-view da due telecamere ad alta velocità, che cadono lungo il tubo a vuoto di vetro nella cornice dei due aggregati di polvere centro-di-massa. L'altra caduta libera torre fa uso di un acceleratore elettromagnetico che è in grado di accelerare dolcemente aggregati di polveri fino a 5 m / sec. In combinazione con l'uscita di un altro aggregato polvere caduta libera, la collisione con velocità fino a ~ 10 m / sec può essere raggiunto. Qui, due telecamere fisse ad alta velocità registrano gli eventi di collisione. In entrambe le torri di goccia, gli aggregati di polvere sono in caduta libera durante l'urto in modo che siano il peso e corrispondonocondizioni nei primi Sistema Solare.
Introduction
E 'generalmente accettato che la formazione dei pianeti inizia con l'accumulo non-gravitazionale di microscopici grani di polvere in grandi aggregati di polvere (vedi recensione da Blum & Wurm) 1. Le particelle di polvere collidono all'interno dei loro dischi protoplanetari dovuta al moto browniano, moti di deriva relativi, e la turbolenza del gas nebulare (vedi recensione da Johansen et al.) 2. Se le velocità di collisione sono sufficientemente bassi, le particelle di polvere stare insieme per formare agglomerati più grandi. Una ricchezza di misure di laboratorio negli ultimi anni hanno portato ad un modello di collisione polvere di aggregazione che predice l'esito di una coppia di aggregati di polvere con masse arbitrarie e velocità di collisione 3. I risultati collisionali di base sono sporgenti (in generale per piccole masse aggregate e basse velocità di collisione), rimbalzando, e la frammentazione (per elevate velocità di impatto). Tuttavia, le transizioni tra queste fasi non sono taglienti e ci sono altririsultati, come, ad esempio, il trasferimento di massa o erosione. L'applicazione di questo modello in un disco protoplanetario tipica prevede la crescita di cm dimensioni degli aggregati di polvere all'interno di qualche migliaio di anni 4. La presenza di cm dimensioni degli aggregati di polvere è stato ampiamente studiato da osservazioni astronomiche negli ultimi anni e ora può essere considerato come stabilito (vedi recensione di Testi et al.) 5 in modo che possiamo concludere che il principale meccanismo attraverso il quale i primi corpi macroscopici in giovani sistemi planetari è stato identificato forma.
Tuttavia, l'ulteriore crescita di corpi di almeno dimensioni chilometri non è così chiara. Per la regione terrestre-pianeta, due ipotesi sono attualmente discussi (vedi anche le recensioni più recenti in materia di Johansen et al 2 e Testi et al 5..): (I) la concentrazione degli aggregati di polvere cm dimensioni da, ad esempio, il in streaming instabilità 6 e successiva gravitcrollo azionale 7,8 e (ii) la crescita di pochi "fortunati vincitori" ai formati più grandi, con conseguente accrescimento di massa dal processo di trasferimento di massa 9,10,11. In entrambi i modelli, dimensioni cm aggregati di polveri subiscono un enorme numero di collisioni reciproche a basse velocità moderata. Non è chiaro quali sono i possibili esiti di queste collisioni (oltre a rimbalzo) sono.
Per migliorare la polvere aggregato modello collisione Güttler et al. 3 e di indagare più in dettaglio le collisioni tra aggregati di polvere macroscopici nei regimi di velocità relative, abbiamo istituito due torri goccia nel nostro laboratorio, in cui i singoli collisioni aggregate aggregato può essere studiato nei minimi dettagli in condizioni di vuoto e di microgravità. Entrambe le torri goccia possiedono un'altezza caduta libera di 1,5 m, il che limita il tempo di osservazione di ~ 0,5 sec. Così, osserviamo le collisioni da telecamere ad alta velocità con formato megapixel e fino a 7500 fotogrammi al secondo.Per ottenere il massimo contrasto e alte velocità di registrazione, viene scelto l'illuminazione in campo chiaro. L'illuminazione è quindi fornita da pannelli a LED ad alta intensità e omogeneizzata da schermi diffusori. Così, le telecamere ad alta velocità vista la polvere collisione aggrega oggetti scuri davanti uno schermo illuminato. Per evitare sfarfallio, i LED sono alimentati DC.
Per ottenere basse velocità di collisione, i due aggregati di polveri sono posti uno sopra l'altro in un doppio meccanismo di rilascio. Rilasciando l'aggregato superiore un tempo di t prima quello inferiore risultati in una velocità relativa di v = gt, con g = 9,81 m / sec 2 essendo l'accelerazione gravitazionale terrestre. Le due telecamere ad alta velocità, che visualizzano la collisione da due direzioni 90 ° di distanza, sono tipicamente rilasciati tra i due aggregati di polvere (tipicamente t / 2 dopo la particella superiore). Le telecamere eseguita in modalità continua registrazione, la quale termina con l'impatto della fotocameratitolari in secchi di sabbia. Il frame rate massimo in questa modalità operativa è di 1.000 immagini al secondo con risoluzione megapixel. Con questa impostazione, le velocità al di sotto di 0,01 m / sec sono stati raggiunti. A causa delle limitazioni della configurazione meccanica del meccanismo di doppia uscita, la velocità massima di collisione relativa è ~ 3 m / sec. Le collisioni che coinvolgono aggregati di polvere fino a 5 cm di grandezza sono stati indagati in questa torre di caduta. Per velocità di collisione elevate fino a ~ 10 m / sec, una seconda torre di caduta viene utilizzato, che è dotato di un acceleratore elettromagnetico che è in grado di accelerare uniformemente polvere aggrega fino a 5 m / sec in direzione verticale verso l'alto. L'altro aggregato polvere è detenuto da una botola meccanismo di rilascio a doppia ala e può essere rilasciato gratuitamente rotazione in caduta libera in un dato momento. Qui, non ha senso utilizzare le telecamere in caduta libera. Noi invece usiamo due telecamere fisse ad alta velocità fino a 7.500 fotogrammi al secondo e una risoluzione megapixel. A causa della grande Diameter di questa torre di caduta, polveri inerti fino a (e possibilmente sopra) 10 cm possono essere usati.
Protocol
Representative Results
Discussion
A causa della elevata precisione meccanica, il tasso di fallimento di entrambe le torri goccia è estremamente bassa. Questo è di estrema importanza, perché la preparazione del campione può richiedere fino a diverse ore, a seconda delle dimensioni, la forma e la porosità degli aggregati di polvere desiderati. Va ricordato che le grandi aggregati di polveri ad altissima porosità sono estremamente fragili e, quindi, difficile da maneggiare. Può accadere che questi aggregati di polvere si rompono durante l'estrazione al largo della muffa o trasferimento alla torre di caduta. In questi casi, un nuovo campione deve essere preparato. Pertanto, è importante che la piccola torre di caduta permette affidabili (e prevedibili) velocità di collisione fino a 0,01 m / sec 11,13. La velocità di impatto più basso finora raggiunto è stato 0.004 m / sec. Queste piccole velocità di impatto possono essere raggiunte solo per particelle libere in un ambiente di microgravità. La torre di caduta laboratorio è una realizzazione economica e versatile di tale struttura microgravità.
Alternative metodi per ottenere velocità di basso impatto fanno uso di tecniche di levitazione 14,15 (ad esempio mediante levitazione elettromagnetica o aerodinamica) ma generalmente indurre una forza tra le particelle collidenti, che deve essere preso in considerazione nell'analisi delle collisioni. Inoltre, levitazione spesso induce moto di rotazione 14, che, se desiderato, non consente collisioni senza rotazione ma, d'altra parte, potrebbe anche permettere simulazioni realistiche di collisioni tra particelle rotanti. In caso di levitazione aerodinamica, effetti a cuscino d'aria durante la collisione possono indurre condizioni indesiderate che non corrispondono a quelli di dischi protoplanetari. Tuttavia, levitazione permette di tempo di osservazione illimitato e esperimenti ripetibili in modo che deve essere considerata un'alternativa alla torre di caduta se la limitazione del tempo è essenziale. Tutti i nostri sforzi finora sono stati concentrati su SiO 2 come rappresentante dei silicati nel pianeta terrestre-formazione rEgion di giovani Sistemi Solari. Poiché la maggior parte della massa di dischi protoplanetari si concentra oltre il punto di condensazione di acqua ghiacciata, è essenziale studiare anche il comportamento collisione degli aggregati costituito da H 2 O grani-ghiaccio micron dimensioni. Attualmente stiamo allestendo una torre di caduta crio-vuoto per questo scopo. Si deve notare che le temperature in tali esperimenti di simulazione devono essere inferiori ~ 150 K, che è la temperatura della cosiddetta "linea della neve" in dischi protoplanetari ("linea neve" divide le regioni interne dove l'acqua è nel vapore fase dalle regioni esterne dove è situato come il ghiaccio d'acqua in). Abbiamo dimostrato che la formazione di particelle di acqua-ghiaccio micron dimensioni è fattibile e che gli aggregati di esso possono essere prodotti 16 in modo che noi siamo ottimisti di avere i primi risultati sul loro comportamento collisione entro i prossimi 1-2 anni.
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
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