Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce
Summary
Nós apresentamos uma técnica para obter baixa velocidade a colisões de velocidade intermediária entre agregados de poeira frágeis em laboratório. Para esta finalidade, duas vácuo gota-torre configurações têm sido desenvolvidas que permitem velocidades de colisão entre <0,01 e ~ 10 m / seg. Os eventos de colisão são registrados por imagens em alta velocidade.
Abstract
Com a finalidade de investigar a evolução dos agregados de poeira no sistema solar precoce, desenvolvemos duas torres de queda de vácuo no qual os agregados de poeira frágeis com tamanhos de até ~ 10 cm e porosidades até 70% pode ser colidiram. Uma das torres de queda é utilizado principalmente para velocidades muito baixas de impacto para baixo para menos de 0,01 m / seg e faz uso de um mecanismo de libertação dupla. Colisões são gravados em estéreo-view por duas câmeras de alta velocidade, que caem ao longo do tubo de vácuo de vidro na estrutura de centro de massa dos dois agregados de poeira. A outra torre de queda livre faz com que o uso de um acelerador electromagnético, que é capaz de acelerar suavemente agregados de pó de até 5 m / seg. Em combinação com o lançamento de um outro agregado pó para queda livre, colisão velocidades de até ~ 10 m / seg pode ser alcançado. Aqui, duas câmeras de alta velocidade fixa registrar os eventos de colisão. Em ambas as torres de queda, os agregados de pó estão em queda livre durante a colisão, de modo que eles não têm peso e combinar ocondições do sistema solar precoce.
Introduction
É geralmente aceite que a formação de planetas começa com o acúmulo não-gravitacional da microscopicamente pequenos grãos de poeira em agregados de poeira maiores (ver revisão por Blum & Wurm) 1. As partículas de poeira colidem dentro de seus discos protoplanetários devido ao movimento browniano, movimentos de deriva relativos, ea turbulência do gás nebular (ver revisão por Johansen et al.) 2. Se as velocidades de colisão são suficientemente baixo, as partículas de pó se unem para formar aglomerados maiores. Uma grande variedade de medições em laboratório ao longo dos últimos anos levaram a um modelo de colisão de pó agregado que prediz o resultado de um par de agregados de poeira com massas arbitrárias e velocidades de colisão 3. Os resultados de colisões básicas estão aderindo (em geral para pequenas massas agregadas e baixas velocidades de colisão), saltando, e fragmentação (para velocidades de alto impacto). No entanto, as transições entre estas fases não são afiados e existem outrosresultados, como, por exemplo, transferência de massa ou erosão. Aplicando este modelo a um disco protoplanetário típico prevê o crescimento dos agregados de poeira porte centímetros dentro de alguns milhares de anos 4. A presença de agregados de poeira porte centímetros tem sido extensivamente investigado por observações astronômicas ao longo dos últimos anos e pode agora ser considerado como estabelecido (ver revisão por Testi et al.) 5 do que se conclui que o princípio mecanismo pelo qual os primeiros corpos macroscópicos em sistemas planetários jovens formulário foi identificado.
No entanto, o maior crescimento de corpos de pelo menos tamanhos km não é tão clara. Para a região terrestre do planeta, duas hipóteses estão a ser discutidos (ver também os comentários recentes sobre este assunto por Johansen et al 2 e Testi et al 5..): (I) a concentração dos agregados de poeira de tamanho cm por, por exemplo, o streaming de instabilidade 6 e Gravit subseqüentecolapso acional 7,8 e (ii) crescimento de alguns "vencedores" para tamanhos maiores, com posterior crescimento da massa pelo processo de transferência de massa 9,10,11. Em ambos os modelos, os agregados de poeira porte cm sofrer um enorme número de colisões mútuas em baixa a velocidades moderadas. Não está claro o que os possíveis resultados dessas colisões (além de pular) são.
Para melhorar o modelo de colisão de pó agregado por Güttler et al. 3 e investigar mais detalhadamente as colisões entre os agregados de poeira macroscópicas nos regimes de velocidade relevantes, montamos duas torres de queda em nosso laboratório, em que as colisões agregado-agregado individuais podem ser estudado em grande detalhe em condições de vácuo e de microgravidade. Ambas as torres de queda possuir uma altura de queda livre de 1,5 m, o que limita o tempo de observação para ~ 0,5 seg. Assim, podemos observar as colisões por câmeras de alta velocidade, com formato megapixel e até 7.500 quadros por segundo.Para obter o máximo de contraste e altas velocidades de gravação, iluminação de campo claro é escolhido. A iluminação é assim proporcionado por alta intensidade painéis LED e homogeneizada por telas do difusor. Assim, as câmeras de alta velocidade ver a poeira colidindo agrega objetos escuros na frente de uma tela iluminada. Para evitar a cintilação, os LEDs são DC.
Para alcançar baixas velocidades de colisão, os dois agregados de pó são colocadas uma sobre a outra em um mecanismo de libertação dupla. Soltar o agregado superior um tempo de t antes de o inferior resulta numa velocidade relativa v = gt, com 9,81 g = sendo m / s 2 a aceleração gravitacional da Terra. As duas câmaras de alta velocidade, que encaram a colisão de duas direcções de 90 ° entre si, são normalmente libertados entre os dois agregados de pó (tipicamente t / 2 após a partícula superior). As câmeras de executar em modo contínuo de gravação, que é encerrado pelo impacto da câmeratitulares em baldes de areia. A taxa máxima de quadros neste modo de operação é de 1.000 imagens por segundo com resolução megapixel. Com esta configuração, velocidades até abaixo de 0,01 m / s foram alcançados. Devido a limitações de configuração mecânica do mecanismo de libertação dupla, a velocidade máxima de colisão relativa é ~ 3 m / seg. Colisões envolvendo agregados de poeira com até 5 cm de tamanho foram investigados nesta torre de queda. Para velocidades de colisão elevadas até ~ 10 m / seg, uma segunda torre de queda é utilizado, o qual está equipado com um acelerador electromagnético, que é capaz de acelerar suavemente pó agrega até 5 m / s, numa direcção vertical ascendente. O outro agregado pó é realizada por um mecanismo de liberação alçapão duplo de asa e pode ser liberado sem rotação em queda livre, em determinado momento. Aqui, não faz sentido usar câmeras em queda livre. Nós preferimos usar duas câmeras de alta velocidade estacionárias com até 7.500 quadros por segundo e resolução megapixel. Devido à maior diameter desta torre de queda, poeira agrega-se para (e possivelmente acima) de 10 cm de tamanho podem ser utilizadas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Devido à alta precisão mecânica, a taxa de falha de ambas as torres de queda é extremamente baixo. Isto é de extrema importância, pois a preparação da amostra pode demorar até várias horas, dependendo do tamanho, forma e porosidade dos agregados de pó desejados. Deve ser mencionado que grandes agregados de pó com muito altas porosidades são extremamente frágil e, portanto, difícil de manipular. Pode ocorrer que esses agregados de poeira quebrar durante a extração fora do molde ou transferência para a torre de queda. Nestes casos, uma nova amostra tem que estar preparado. Assim, é importante que a pequena torre gota permite velocidades de colisão fiáveis (e previsíveis) até 0,01 m / seg 11,13. A velocidade mais baixa impacto até agora alcançado foi de 0,004 m / s. Estas pequenas velocidades de impacto só pode ser alcançado por partículas livres em um ambiente de microgravidade. A torre de queda de laboratório é uma realização barato e versátil de uma instalação desse tipo de microgravidade.
Alternative métodos para atingir velocidades baixas de impacto faz uso de técnicas de levitação 14,15 (por exemplo, por levitação electromagnética ou aerodinâmico) mas geralmente induzem uma força entre as partículas colidem, que tem de ser tido em conta na análise de colisões. Além disso, muitas vezes, induz a levitação movimento de rotação 14, que, se não desejado, não permite colisões sem rotação, mas, por outro lado, pode até permitir simulações realistas de colisões entre partículas rotativas. Em caso de levitação aerodinâmico, os efeitos sobre almofadas de ar durante a colisão pode induzir condições indesejadas que não coincidem com aqueles em discos protoplanetários. No entanto, levitação permite o tempo de observação limitada e experiências repetitivas de modo que tem que ser considerada como uma alternativa para a torre de queda se o limite de tempo é essencial. Todos os nossos esforços até agora têm se concentrado em SiO 2 como um representante dos silicatos no terrestre do planeta formação region de jovens Sistemas Solares. Como a maior parte da massa dos discos protoplanetários é concentrada para além do ponto de condensação da água de gelo, é também essencial para estudar o comportamento de colisão de agregados constituídos por grãos de H 2 O-gelo micrometros de tamanho. Estamos actualmente a criação de uma torre de queda de crio-vácuo para esta finalidade. Deve ser notado que as temperaturas em tais experiências de simulação deve ser inferior a ~ 150 K, que é a temperatura da assim chamada "linha de neve" em discos protoplanetários (a "linha de neve" divide as regiões interiores, em que a água está na forma de vapor fase das regiões exteriores onde se encontra como o gelo de água sólida). Nós mostramos que a formação de partículas de água de gelo do tamanho micrometros de é viável e que os agregados da mesma podem ser produzidas 16 de modo que estamos otimistas para ter os primeiros resultados sobre o seu comportamento de colisão nos próximos 1-2 anos.
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).
