مختبر أبراج إسقاط لمحاكاة التجريبية من التصادم الغبار والركام في النظام الشمسي المبكر

الهدف العام من هذا الإجراء هو محاكاة التصادمات بين تجمعات الغبار في النظام الشمسي المبكر تجريبياً، وفهم الخطوات الأولى من تكوين الكواكب. يتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تحضير تجمعين من الغبار المسامي يمثلان جسيمات الغبار في النظام الشمسي الناشئ. وتتمثل الخطوة الثانية في إدخال كلا التجمعين الغباريين في أحد أبراج السقوط المختبرية، والتي تم تهيئتها لإحداث تصادم بين تجمعات الغبار تحت ظروف الجاذبية الصغرى.

بعد ذلك، يتم إجراء التجربة وتقوم كاميرات عالية السرعة بتسجيل التصادم بين تكتلين من الغبار. وتتمثل الخطوة النهائية في تحليل التسجيل عالي السرعة للتصادم فيما يتعلق بفقدان الطاقة، وانتقال الكتلة، وتجزؤ تكتلات الغبار. وفي نهاية المطاف، تُستخدم هذه النتائج لتطوير نماذج فيزيائية لتصادمات تكتلات الغبار في النظام الشمسي الناشئ، والتي تُعد ضرورية لنمذجة الخطوات الأولى من تكوين الكواكب.

يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة جوهرية في مجال تكوين الكواكب، مثل نتائج اصطدامات اللبنات الأساسية للكواكب. لقد خطرت لنا فكرة هذه الطريقة لأول مرة عندما كنا نبحث عن وسائل لإجراء عدد كبير من الاصطدامات ذات السرعات المنخفضة جداً بين تجمعات الغبار الهشة. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق المتاحة، مثل مرافق الجاذبية الصغرى التجارية، في إمكانية إجراء التجارب بوتيرة أكبر وبكفاءة من حيث التكلفة داخل المختبر.

يُعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية نظراً لصعوبة تعلم خطوات تحضير العينات، حيث إن العينات التي يتم تحضيرها تكون هشّة للغاية. للبدء، احسب كمية المادة المطلوبة للشكل المرغوب باستخدام المعادلة التالية. قم بنخل كمية كافية من المادة عبر منخل بفتحات قطرها 0.5 millimeter C، ثم ضع الكتلة المحسوبة في قالب.

بعد ذلك، قم بضغط المادة داخل القالب عن طريق دفع المكبس يدويًا حتى يصل حجم العينة إلى خمسة سنتيمترات. وأخيرًا، اقلب القالب رأسًا على عقب، ثم افتح اللوحة الأساسية وادفع العينة للخارج برفق باستخدام المكبس.

بالنسبة لعينات الجسيمات العلوية الكروية، استخدم آلية تحرير الجسيم عبر خيط. ولإعداد هذا النوع من التحرير، قم بربط الجسيم المراد تحريره بخيط. يتم ذلك أثناء ضغط العينة باستخدام مكبس يحتوي على ممر للخيط.

ثبّت الخيط في مكانه عن طريق ضغطه بين المغناطيس الملفوف والقطعة المعدنية الصلبة المقابلة لعينات الجسيمات السفلية الكروية. استخدم آلية تحرير الباب المسقط. ابدأ بوضع الجسيم في قالب نصف كروي.

في الوقت المناسب، يتم تطبيق تيار كهربائي على المغناطيس اللولبي لآلية التحرير العلوية المذكورة لاحقاً. يتم تطبيق تيار كهربائي لتدوير باب المصيدة إلى الأسفل باستخدام ملف لولبي دوراني، وعند فحص ترتيبات أكثر تعقيداً مثل مجموعات الكرات، يتم تركيب آليتين لتحرير باب المصيدة فوق بعضهما البعض. وبمجرد تحميل كلتا آليتي باب المصيدة، يتم تطبيق تيار كهربائي لتحرير العينات في الأوقات الصحيحة بالنسبة للعينات الأسطوانية.

قم بتثبيت آلية تحرير مزدوجة من النوع المقصي في مكانها. ثم ضع العينات الأسطوانية برفق على ألواح التحرير. وكما سبق، قم بتطبيق تيار كهربائي على المغناطيسات الملفوفة لتحرير العينات.

إذا كانت العينة ستتعرض للتسريع بدلاً من مجرد السقوط الحر، فاستخدم آلية تسريع جسيمات مثل مرحلة خطية تعمل كهرومغناطيسياً. وعند اختبار العينات الأسطوانية بالتزامن مع تسريع الجسيمات، استخدم آلية تحرير باب المصيدة مزدوج الجناح. ضع عينة الغبار الأسطوانية فوق باب المصيدة المغلق.

بعد ذلك، قم بفتح الباب الساقط عن طريق تسليط تيار كهربائي على المغناطيس الملفوف (solenoid magnet). لاحظ كيف تمنع كوابح التيارات الدوامية الباب من الارتداد إلى العينة لتحقيق تصادم منخفض السرعة. تبلغ السرعات 0.09 meters per second.

ضع إحدى الجسيمات التي يبلغ حجمها سنتيمتر واحد في آلية الجسيم المعلق بخيط، والجسيم الآخر الذي يبلغ حجمه سنتيمتر واحد على مسافة سبعة مليمترات في آلية تحرير باب المصيدة. ثم أغلق الأنبوب الزجاجي المفرغ. افتح الصمام المؤدي إلى مضخات التفريغ بعناية لبدء تفريغ الهواء من الأنبوب ببطء.

بعد ذلك، اضبط التأخير الزمني لآليات التحرير على تسعة مللي ثانية. وهذا يعني أنه سيتم تحرير تجمع الغبار العلوي أولاً، ثم تحرير الجسيم السفلي بعد تسعة مللي ثانية، بينما سيتم تحرير الكاميرا في الفترة الفاصلة بينهما؛ بعد ذلك قم بتوصيل الكاميرات بوحدات التحرير الخاصة بها وتشغيل الإضاءة. ثم ابدأ التسجيل المستمر.

عند الوصول إلى الفراغ المطلوب بحيث يكون أقل من 1 millibar، اضغط على زر التحرير لبدء تسلسل المؤقت؛ وعند اكتمال التجربة، قم بتنزيل تسلسلات الصور التي سجلتها الكاميرات عالية السرعة إلى جهاز الكمبيوتر. قم بتجهيز عينتين أسطوانيتين بقطر وارتفاع يبلغان 5 cm من أجل تصادم عالي السرعة، وذلك أولاً بتحميل عينة واحدة على آلية تحرير باب المصيدة مزدوج الجناح، والعينة الأخرى على حامل العينات الخاص بمسرع المرحلة الخطية. وبمجرد وضع العينات في مكانها، جهز الغرفة كما سبق عن طريق سد الأنبوب الزجاجي وفتح صمام الفراغ لإزالة الهواء من الأنبوب.

بعد ذلك، قم بضبط توقيت آلية التحرير والمسرع الخطي وفقاً للشروط المطلوبة. ثم قم بتشغيل الإضاءة المناسبة وابدأ التسجيل باستخدام الكاميرا عالية السرعة. وبمجرد الوصول إلى الفراغ المطلوب الذي يجب أن يكون أفضل من 0.01 millibar، اضغط على زر التحرير لبدء التصادم عند الاكتمال.

قم بتنزيل تسلسلات الصور التي سجلتها الكاميرات كما فعلت سابقاً لتجمعات ذات أحجام مختلفة. قم بتحميل العينة الكبيرة على آلية التحرير، ثم ضع العينة الأصغر على حامل العينات الخاص بالمسرع. توضح صور المجهر الإلكتروني هذه لجسيمات السيليكا الكروية أحادية التشتت والجسيمات غير المنتظمة متعددة التشتت الخصائص الفيزيائية للعينات المستخدمة في تجارب برج السقوط المختبرية.

يمكن تحضير تجمعات غبار بأحجام وأشكال عينات متنوعة، بما في ذلك أسطوانات غبار بأقطار تبلغ 1 cm و2 cm و5 cm، وكريات غبار بأقطار 1 cm و2 cm. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام تجمعات من كريات مضيئة بحجم يتراوح بين 2 إلى 3 mm باستخدام إعادة بناء التصوير المقطعي بالأشعة السينية للبنية الداخلية لعينة تجميع غبار أسطوانية. ومن الواضح أن عينة المسامية العالية هذه قد تم تجميعها باستخدام تجمعات غبار بحجم المليمتر.

يشير المقياس الرمادي إلى عامل ملء الحجم، وهو نسبة الكثافة الكتلية للعينة إلى كثافة المادة لجزيئات الغبار المونومرية. تم تحليل سرعات تصادم الارتداد عن طريق تتبع مواقع الجسيمات بمرور الوقت لاشتقاق السرعة بعد التصادم وقبله. وتسمى نسبة هذه القيم بمعامل الاسترداد، وهي تصف فقدان الطاقة أثناء التصادم. وتم رسم معاملات الاسترداد التي تم تحليلها مقابل سرعات التصادم.

تظهر البيانات الخاصة بالغبار الكروي والتجمعات والاصطدامات بين تجمعات الغبار الأسطوانية اتجاهاً نحو انخفاض معامل الارتداد مع زيادة سرعة التصادم. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن إنجازها في غضون ساعة واحدة إذا نُفذت بشكل صحيح. ونظرًا لأن التعامل مع الجسيمات بحجم الميكرومتر قد يكون خطيراً للغاية، لذا يجب دائمًا اتخاذ التدابير الاحترازية مثل ارتداء أقنعة الحماية والقفازات واستخدام غطاء سحب الأدخنة مثل هذا أثناء العملية.