Vi presenterer en teknikk for å oppnå lav hastighet til middels hastighet kollisjoner mellom skjøre støv tilslag i laboratoriet. For dette formålet, har to vakuum drop-tower oppsett blitt utviklet som tillater kollisjonshastigheter mellom <0,01 og ~ 10 m / sek. Kollisjonen hendelser er registrert av høyhastighets bildebehandling.
For det formål å undersøke utviklingen av støv tilslag i den tidlige solsystemet, utviklet vi to vakuum slipp tårn hvor skjøre støv tilslag med størrelser opp til ~ 10 cm og porøsitet opptil 70% kan kolliderte. En av slipptårn brukes primært for svært lav innvirkning hastigheter ned til under 0,01 m / sek og gjør bruk av en dobbel utløsermekanismen. Kollisjoner er tatt opp i stereo-visning av to høyhastighetskameraer, som faller langs glass vakuumrør i sentrum-of-mass rammen av de to støv aggregater. Den andre fritt-fall-tårnet gjør bruk av en elektromagnetisk akselerator som er i stand til forsiktig å akselerere støv tilslag til opp til 5 m / sek. Sammen med frigjøring av et annet støvsamle til fritt fall, kollisjon hastigheter opp til ~ 10 m / sek kan oppnås. Her, to faste høyhastighetskameraer registrere kollisjon hendelser. I begge slippe tårn, støv aggregatene er i fritt fall under kollisjonen, slik at de er vektløs og matcheforholdene i det tidlige solsystemet.
Det er generelt akseptert at planetdannelse starter med ikke-gravitasjons opphopning av mikroskopiske støvkorn i større støv tilslag (se anmeldelse av Blum & Wurm) en. Støvpartiklene kolliderer innenfor sine protoplanetariske disker på grunn av Brownske bevegelser, relative drift bevegelser, og turbulens av gassen i skyen (se anmeldelse av Johansen et al.) 2. Ved kollisjonshastigheten er tilstrekkelig lav, støvpartiklene kleber seg sammen til større agglomerater. Et vell av laboratoriemålinger i løpet av de siste årene har ført til en støv-aggregat kollisjon modell som predikerer utfallet av et par støv tilslag med vilkårlige masser og kollisjonshastigheter tre. De grunnleggende collisional resultater stikker (generelt for små samlet massene og lave kollisjonshastigheter), hoppende, og fragmentering (for høy impact hastigheter). Imidlertid overgangene mellom disse faser er ikke skarp, og er det annetutfall, som, for eksempel masseoverføring eller erosjon. Bruk av denne modellen til en typisk protoplanetariske disk spår vekst av cm-sized støv tilslag innen noen få tusen år fire. Tilstedeværelsen av cm-sized støv tilslag har blitt grundig undersøkt av astronomiske observasjoner i løpet av de siste årene, og kan nå betraktes som etablert (se anmeldelse av Testi et al.) 5 slik at vi konkludere med at prinsippet mekanismen som de første makroskopiske legemer hos unge planetsystemer skjemaet har blitt identifisert.
Imidlertid er den videre vekst til legemer av minst kilometer størrelser ikke så klart. For terrestrisk-planet regionen, er to hypoteser for tiden diskutert (se også de siste vurderinger på denne saken etter Johansen m.fl. 2 og Testi et al fem..): (I) konsentrasjonen av cm-sized støv tilslag etter, for eksempel streaming ustabilitet 6 og påfølgende Gravitelle kollaps 7,8 og (ii) vekst på noen få "heldige vinnere" til større størrelser med påfølgende masse Tilveksten av masseoverføringsprosessen 9,10,11. I begge modellene cm store støv tilslag gjennomgå et enormt antall gjensidige kollisjoner ved lave til moderate hastigheter. Det er uklart hva de mulige utfall av disse kollisjonene (foruten hoppende) er.
For å forbedre støv samlede kollisjonsmodellen ved Güttler et al. 3 og å undersøke nærmere kollisjoner mellom makroskopiske støv aggregater i de aktuelle hastighets regimer, har vi satt opp to rulle tårn i vårt laboratorium, hvor enkelt aggregerte-aggregat kollisjoner kan bli studert i stor detalj under vakuum og mikrogravitasjon forhold. Begge slipp tårnene har en frittfallhøyde på 1,5 m, noe som begrenser observasjonstid til ~ 0,5 sek. Dermed noterer vi kollisjoner med høyhastighetskameraer med megapiksel-format og opptil 7500 bilder per sekund.For maksimal kontrast og høye hastigheter opptak, er lyse-feltet belysning valgt. Belysning er dermed gitt av høy intensitet LED-paneler og homogenisert med diffuser skjermer. Dermed blir høyhastighetskameraer vise kolliderer støv aggregater som mørke objekter foran en opplyst skjerm. For å unngå flimring lysdiodene er DC strømforsyning.
For å oppnå lav kollisjons hastigheter, er de to støvaggregatene plasseres over hverandre i en dobbel frigjøringsmekanisme. Frigjøring det øvre aggregat en tid t før de nedre en resulterer i en relativ hastighet på v = gt, med g = 9,81 m / sek 2 er gravitasjonsakselerasjonen av jorden. De to høyhastighetskameraer, som ser kollisjonen fra to retninger 90 ° fra hverandre, blir vanligvis utgitt i mellom de to støv aggregater (typisk t / 2 etter at den øvre partikkel). Kameraene kjøres i kontinuerlig opptaksmodus, som er sagt opp av virkningen av kameraholdere i sand bøtter. Den maksimale bildefrekvensen i denne driftsmodus er 1000 bilder per sekund ved megapikslers oppløsning. Med dette oppsettet, hastigheter ned til under 0,01 m / sek er oppnådd. På grunn av begrensninger i de mekaniske oppsett av dobbeltfrigjøringsmekanisme, er den maksimale relative kollisjonshastighet ~ 3 m / sek. Kollisjoner involverer støv aggregater med opptil 5 cm i størrelse har blitt undersøkt i denne rulle tårnet. For høyere kollisjonshastigheter opp til ~ 10 m / sek, en andre rulletårnet benyttes, som er utstyrt med en elektromagnetisk akselerator som er i stand til problemfritt å akselerere støv samler opp til 5 m / sek i en loddrett oppadgående retning. Den andre støv samlet er holdt av en dobbel-fløyen luke på utløsermekanisme og kan frigjøres rotasjonsfritt i fritt fall til enhver tid. Her er det ikke fornuftig å bruke gratis-fallende kameraer. Vi heller bruke to stasjonære høyhastighetskameraer med opptil 7500 bilder per sekund og megapiksler oppløsning. På grunn av den større Diameteh av denne dråpe tårnet, aggregater støv opp til (og muligens over) 10 cm i størrelse kan anvendes.
På grunn av høy mekanisk presisjon, er strykprosent av begge slipp tårnene ekstremt lav. Dette er av største betydning, fordi prøvepreparering kan ta opp til flere timer, avhengig av størrelse, form og porøsitet av de ønskede støv aggregater. Det bør nevnes at store støv aggregater med meget høye porøsiteter er ekstremt skjøre, og dermed vanskelig å håndtere. Det kan forekomme at disse støv aggregater bryte under utvinning av mugg eller overføring til slipptårn. I slike tilfeller må en ny prøve for å bli fremstilt. Således er det viktig at den lille dråpe tårnet tillater pålitelige (og forutsigbare) kollisjon hastigheter ned til 0,01 m / sek 11,13. Den laveste kollisjonshastigheten så langt oppnådd var 0,004 m / sek. Disse små støt hastigheter kan bare nås for frie partikler i mikrogravitasjon miljø. Laboratoriet dråpe-tårnet er en billig og fleksibel realisering av en slik mikrogravitasjons anlegg.
Vekselstve metoder for å oppnå lav innvirkning hastigheter gjøre bruk av levitasjon teknikker 14,15 (for eksempel ved elektromagnetisk eller aerodynamisk levitasjon), men generelt indusere en kraft mellom de kolliderende partiklene, som må tas hensyn til i analysen av kollisjonene. Videre levitasjon induserer ofte rotasjonsbevegelse 14, som, hvis den uønskede, ikke tillater rotasjon fritt kollisjoner, men, på den annen side, kan også tillate realistiske simuleringer av kollisjoner mellom roterende partikler. I tilfelle av aerodynamisk levitasjon, kan luftpute effekter under kollisjonen indusere uønskede tilstander som ikke samsvarer med de i protoplanetariske disker. Men gjør levitasjon for ubegrenset observasjonstid og repeterbare eksperimenter slik at det må anses som en alternativ til drop tårnet hvis tidsbegrensningen er avgjørende. All vår innsats så langt har vært konsentrert om SiO 2 som en representant for de silikater i bakke-planetdannelse region av unge solsystemer. Da mesteparten av massen av protoplanetariske disker konsentreres utover den kondenspunktet av vann-is, er det nødvendig å også studere kollisjon oppførselen av aggregater bestående av mikrometer-størrelse H 2 O-is korn. Vi er nå sette opp et cryo-vakuum dråpe tårnet for dette formål. Det skal bemerkes at temperaturen i en slik simuleringsforsøk må være under ~ 150 K, som er temperaturen i den såkalte "snø line" i protoplanetariske plater ("Snow line" skiller de indre områder hvor vannet er i damp fase fra de ytre områder hvor det er funnet som fast vann-is). Vi har vist at dannelsen av mikrometer store vann-is partikler er gjennomførbart og at tilslag derav kan produseres 16, slik at vi er optimistiske til å ha første resultatene på deres kollisjon atferd i løpet av de neste 1-2 årene.
The authors have nothing to disclose.
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”.
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 |