原始太陽系におけるダスト凝集衝突の実験的シミュレーションのための研究室のドロップタワー

この手順の全体的な目的は、初期太陽系における塵の凝集体の衝突を実験的にシミュレートし、惑星形成の初期段階を理解することです。これは、まず、初期太陽系の塵粒子を模した2つの多孔質塵凝集体を調製することで達成されます。次のステップでは、両方の塵凝集体を実験用ドロップタワーの1つに挿入します。このドロップタワーは、微小重力条件下で塵凝集体同士の衝突を発生させるように調整されています。

次に、実験を行い、2つのダスト凝集体の衝突を高速カメラで記録します。最終ステップは、エネルギー損失、質量移動、およびダスト凝集体の断片化に関して、衝突の高速記録を分析することです。最終的に、これらの結果は、惑星形成の初期段階のモデリングに必要な、初期太陽系におけるダスト凝集体の衝突の物理モデルを構築するために使用されます。

この手法は、惑星の構成要素同士の衝突の結果など、惑星形成分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。私たちは、脆弱なダスト凝集体間で非常に低速な衝突を大量に実施する手段を模索していた際に、この手法を考案しました。商用の微小重力施設などの既存の手法に対するこの技術の主な利点は、実験をより頻繁に実施でき、研究室内で費用効率よく行える点にあります。

調製したサンプルは非常に脆いため、サンプル調製の手順を習得するのが困難であり、本手法を視覚的に提示することが極めて重要です。まず、以下の式を用いて、目的の形状に必要な材料量を算出します。十分な量の材料を0.5 millimeterのメッシュCでふるい、算出した質量分をモールドに充填します。

次に、ピストンを手で押し、サンプルが5 cmになるまで金型内部の材料を圧縮します。最後に、金型を逆さまにします。ベースプレートを開き、ピストンでゆっくりとサンプルを押し出します。

球形の上部粒子サンプルには、紐による粒子放出機構を使用します。この種の放出設定を行うには、放出する粒子を紐に取り付けます。これは、紐用の通路を備えたピストンを用いてサンプルを圧縮する際に行います。

球状の下部粒子サンプルの場合、ソレノイド磁石と金属製の固定用カウンターピースで挟み込み、紐を固定します。トラップドアのリリース機構を使用してください。まず、粒子を半球状の型に入れてください。

適切なタイミングで、以下に述べる上部放出機構のソレノイド磁石に電流を印加します。球状クラスターなどのより複雑な配置を調べる場合は、回転ソレノイドを用いてトラップドアを下方に回転させるため、2つのトラップドア放出機構を上下に重ねて設置し、電流を印加します。円筒形試料の場合、両方のトラップドア機構に試料をロードした後、適切なタイミングで電流を印加して試料を放出します。

シザー型のダブルリリース機構を所定の位置に取り付けます。次に、円柱状のサンプルをリリースプレート上に静かに配置します。前述と同様に、ソレノイド磁石に電流を流してサンプルをリリースします。

サンプルを単に自由落下させるのではなく加速させる場合は、電磁駆動リニアステージなどの粒子加速機構を使用してください。粒子加速と併せて円筒形サンプルを試験する場合は、ダブルウィング型トラップドア放出機構を使用します。円筒形の粉塵サンプルを閉じた状態のトラップドアの上に設置してください。

次に、ソレノイド磁石に電流を流してトラップドアを開けます。渦電流ブレーキによってドアがサンプル側に跳ね返るのが抑制され、低速衝突が実現されることに注目してください。速度は0.09 meters per secondです。

1 cmの粒子の一方をストリング上の粒子機構に配置し、もう一方の1 cmの粒子をトラップドア放出機構内の7 mm離れた位置に配置します。その後、真空ガラス管を閉じます。真空ポンプへのバルブを慎重に開き、管内の空気をゆっくりと排気し始めます。

次に、放出機構のタイムディレイを9ミリ秒に設定します。これにより、まず上部のダスト凝集体が放出され、その9ミリ秒後に下部の粒子が放出されることになります。カメラはその間に放出されます。次に、カメラを放出ユニットに取り付け、照明を点灯させます。その後、連続録画を開始してください。

1ミリバー未満の目的の真空度に達したら、リリースボタンを押してタイマーシーケンスを開始してください。実験完了後、高速カメラで記録された画像シーケンスをコンピューターにダウンロードします。直径5cm、高さ5cmの2つの円筒形サンプルを用意し、まず一方のサンプルをダブルウィングトラップドアリリース機構に、もう一方をリニアステージ加速器のサンプルホルダーにセットして、高速衝突の準備をします。サンプルの配置が完了したら、前述と同様にガラス管を密閉し、真空バルブを開いて管内から空気を除去し、チャンバーを準備してください。

次に、希望の条件に従って、放出機構と線形加速器のタイミングを設定します。続いて、適切な照明を点灯させ、ハイスピードカメラで録画を開始します。0.01 millibar 以上の所望の真空度に達したら、放出ボタンを押して衝突を開始させます。

異なるサイズの凝集塊について、前述と同様にカメラで記録した画像シーケンスをダウンロードします。大きなサンプルを放出機構にロードし、次に小さなサンプルを加速器のサンプルホルダーに配置します。これらの単分散球状および多分散不規則シリカ粒子の電子顕微鏡画像は、ラボでのドロップタワー実験に使用されたサンプルの物理的特性を示しています。

ダスト凝集塊は、直径1 cm、2 cm、5 cmのダストシリンダーや、直径1 cm、2 cmのダスト球体など、さまざまなサンプルサイズと形状で作成できます。さらに、円筒形ダスト凝集塊サンプルの内部構造をX線トモグラフィーで再構成することで、2〜3 mmサイズの発光球体のクラスターを使用することも可能です。この高空隙率のサンプルが、ミリメートルサイズのダスト凝集塊を用いて組み立てられたことが明確に分かります。

グレースケールは体積充填率、すなわちサンプルの質量密度とモノマーダスト粒子の材料密度の比を表しています。粒子の位置を時間的に追跡して衝突前後での速度を導出し、跳ね返り衝突速度を分析しました。これらの値の比は反発係数と呼ばれ、衝突時のエネルギー損失を示します。分析された反発係数を衝突速度に対してプロットしました。

球形ダスト、凝集体、および円柱状ダスト凝集体間の衝突に関するデータは、衝突速度の増加に伴い反発係数が減少する傾向を示しています。この手法を習得すれば、適切に実施することで1時間で完了させることができます。マイクロメートルサイズの粒子を取り扱うことは非常に危険であるため、本手順の実施中は、保護マスク、手袋、およびこのような排気フードなどの予防策を常に講じてください。