우리는 실험실에서 깨지기 쉬운 먼지 골재 사이의 중간 속도의 충돌에 낮은 속도를 달성 할 수있는 방법을 제시한다. 이 목적을 위해, 두 개의 진공 드롭 탑의 설정이 허용하는 개발 된 <0.01 ~ 10m / 초 사이의 충돌 속도. 충돌 이벤트는 고속 이미징에 의해 기록된다.
초기 태양계에서 먼지 집계의 발전을 조사의 목적을 위해, 우리는 최대 크기가 깨지기 쉬운 먼지 집계 ~ 70 % 최대 10 ㎝, 기공이 충돌 할 수있다 할 수있는 두 개의 진공 드롭 타워를 개발했다. 드롭 타워 중 하나는 주로 아래 M 0.01 이하 / 초 매우 낮은 충격 속도에 사용되는 더블 분리 장치의 사용을하게됩니다. 충돌은 두 개의 먼지 응집체 질량 중심 프레임에서 유리 진공관을 따라 하강이 고속 카메라에 의해 입체 시청 기록된다. 다른 자유 낙하 타워 부드럽게 최대 5m / 초에 먼지 집계를 가속화 할 수있는 전자 가속기를 사용합니다. 자유 낙하에 또 다른 먼지 집계의 출시와 함께, 충돌이 ~ 10m / 초를 달성 할 수있는 최대 속도. 여기서,이 고정 고속 카메라는 충돌 사건을 기록한다. 그들은 무게가 있고 일치하도록 모두 드롭 타워에서 먼지 집계는 충돌시 자유 낙하에 있습니다초기 태양계의 조건.
그것은 일반적으로 행성의 형성 (블룸 & WURM의 검토 참조) 1 큰 먼지 집계에 현미경으로 작은 먼지 입자의 비 중력의 축적으로 시작하는 것이 허용됩니다. 먼지 입자에 의한 브라운 운동, 상대 드리프트 운동, 그리고 성운 가스의 난류에 자신의 원시 행성계 디스크에서 충돌 (등 요한센의 검토를 참조하십시오.) 2. 충돌 속도가 충분히 낮은 경우에, 먼지 입자는 큰 응집체를 형성하기 위해 함께 붙어. 지난 몇 년 동안 실험실 측정의 재산 임의의 질량과 충돌 속도 3 먼지 집계 한 쌍의 결과를 예측하는 먼지 집계 충돌 모델을 이끌고있다. 기본 충돌하는 작은 결과, (작은 총 질량과 낮은 충돌 속도에 대한 일반의) 고집 수신 거부 및 조각 (높은 충격 속도에 대한) 있습니다. 그러나 이러한 단계 간 전환이 선명하지 않은 경우 등이 있습니다결과처럼, 예를 들어, 물질 전달 또는 침식. 일반적인 원시 행성계 디스크에이 모델을 적용하면 몇 천 년 안에 4 cm 크기의 먼지 집계의 성장을 예측하고있다. cm 크기의 먼지 집계의 존재는 광범위하게 지난 몇 년 동안 천문 관측에 의해 조사되어 설립으로 지금 우리가 결론 5 그래서 (기준 간증 등. 리뷰 참조)로 간주 될 수있는 원칙 메커니즘을하는 첫 번째 매크로 몸 젊은 행성 시스템의 형태는 확인되었습니다.
그러나, 적어도 킬로미터 크기의 몸에 더 성장은 그렇게 명확하지 않다. 지상파 행성 지구를 위해, 두 가지 가설은 현재 (.. 또한 요한센 등으로이 문제에 대한 최근의 리뷰 2와 간증 등 5 참조) 논의 기준 : cm 크기의 먼지 집계 (I)의 농도, 예를 들어, 스트리밍 불안정 6 이후 gravitational 붕괴 7,8 및 대량 전송 프로세스 9,10,11에 의한 후속 질량 증대와 더 큰 크기에 약간의 "운이 승자"의 (II) 성장. 두 모델 모두에서, cm 크기의 먼지 집계 적당한 속도로 낮은에서 상호 충돌의 거대한 수를 받고있다. 그것은 (수신 거부 외에)이 충돌의 가능한 결과가 무엇인지 명확하지 않다.
게걸 장이 등. (3)에 의해 먼지 집계 충돌 모델을 개선하고 관련 속도 정권의 거시적 먼지 집계 사이에 더 자세히 충돌을 조사하기 위해, 우리는 어떤 개별 집계 집계 충돌 할 수있는, 우리의 실험실에서 두 개의 드롭 타워를 설정 진공과 미세 중력 상태에서 아주 상세하게 연구 될 수있다. 두 드롭 타워는 관측 시간 ~ 0.5 초를 제한 1.5 m의 자유 낙하 높이를 가지고있다. 따라서, 우리는 고속 메가 픽셀 포맷 카메라와 초당 7,500 프레임으로 충돌을 관찰합니다.최대 콘트라스트 및 높은 기록 속도의 경우, 명 시야 조명을 선택한다. 조명 따라서 강도 높은 LED 패널을 제공하고 확산 화면으로 균질화된다. 따라서, 고속 카메라는 충돌 먼지 조명 화면 앞에 어두운 객체를 집계 볼. 깜박 거림을 방지하기 위해, LED는 DC 전원이 공급됩니다.
낮은 충돌 속도를 달성하기 위해,이 먼지 집계 이중 해제기구에서 서로 위에 배치된다. G로, V = GT의 상대 속도의 낮은 한 결과 전에 상단 집계에게 t의 시간을 해제 = 9.81 m / 초 2 지구의 중력 가속도되고. 두 방향으로 떨어져 90 °의 충돌을 보려면 2 개의 고속 카메라는, 일반적으로 두 개의 먼지 집계 사이에 출시되는 (일반적으로 상부 입자 후 / 2 T). 카메라는 카메라의 영향에 의해 종료되는 연속 기록 모드에서 실행모래 양동이에 홀더. 이 작동 모드에서 최대 프레임 속도는 메가 픽셀 해상도에서 초당 1,000 이미지입니다. 이 설정으로, m / 초를 달성 한 0.01 아래로 아래로 속도. 인해 이중 분리 장치의 기계적 설정의 한계, 최대 상대 충돌 속도는 ~ 3m / 초이다. 크기가 최대 5 cm와 먼지 집계를 포함하는 충돌이 드롭 타워에서 조사되었다. 높은 충돌 속도를 위해 원활하게 먼지가 수직 상 방향으로 5m / 초까지 집계 가속 할 수있는 전자 가속기가 장착되어 ~ 10m / 초, 두 번째 드롭 탑이 사용에. 다른 먼지 집계는 두 날개 트랩 도어 분리 장치에 의해 개최되며, 주어진 시간에 자유 낙하로 회전 프리를 출시 할 수 있습니다. 여기서, 자유 낙하 카메라를 사용하는 의미가 없다. 우리는 오히려 두 번째와 메가 픽셀 당 최대 7,500 프레임으로 두 개의 고정 고속 카메라를 사용합니다. 때문에 큰 diamet에이 드롭 탑의 어 먼지 (그리고 아마도 이상) 크기 10cm 사용할 수 있습니다까지 집계합니다.
인해 높은 기계적 정밀도, 두 방울 타워 실패율이 매우 낮다. 샘플 준비는 크기, 모양 및 원하는 먼지 집계의 다공성에 따라 몇 시간이 걸릴 수 있기 때문에 이것은 매우 중요합니다. 그것은 매우 높은 다공성 큰 먼지 집계, 따라서, 처리하기 어려운 충격에와 있음을 언급해야한다. 이들 먼지 집계 드롭 타워에 곰팡이 또는 전송 오프 추출하는 동안 휴식하는 것이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 새로운 샘플이 준비되어야한다. 따라서, 작은 방울 타워 신뢰성 (예측 가능한) 충돌 속도 아래로 0.01 m / 초 11,13 할 수 있도록하는 것이 중요합니다. 지금까지 달성 낮은 충돌 속도는 0.004 m / 초였다. 이러한 작은 충격 속도는 미세 중력 환경에서 무료로 입자에 도달 할 수 있습니다. 실험실 드롭 탑은 미세 중력 시설의 저렴하고 다양한 실현.
교류 직류낮은 충격 속도가 (전자 또는 공기 역학적으로 부상 예) 그러나 일반적으로 충돌 해석에서 고려되어야 충돌 입자 사이의 힘을 유도 부상 기법 14,15 활용 달성하는 방법을했습니다. 또한, 공중 부양 종종 원하지 않는 경우, 회전 무 충돌을 허용하지 않지만, 다른 한편으로는, 회전에도 입자 간 충돌의 현실적인 시뮬레이션을 허용 할 수, 회전 운동 (14)을 유도한다. 공기 역학적 부상의 경우에는, 충돌시 공기 쿠션 효과는 원시 행성계 디스크에 일치하지 않는 원치 않는 상황을 유도 할 수 있습니다. 그것은 시간 제한이 필수적인 경우 드롭 타워 대안 간주 갖도록 그러나 부상 무제한 관측 시간 및 반복 실험을 허용한다. 우리의 모든 노력은 지금까지 지상파 행성 형성 R의 규산염의 대표 그런가 2에 집중되어젊은 태양 광 시스템의 egion. 원시 행성계 디스크의 질량의 대부분을 물 얼음의 응결 점 이상으로 농축되기 때문에, 그것은 또한 μm의 크기의 H 2 O-얼음 입자로 이루어진 응집체의 충돌 동작을 연구하기 위해 필수적이다. 우리는 현재 이러한 목적을 위해 극저온 진공 드롭 타워를 설정하는. 이 같은 시뮬레이션 실험에서 온도가 아래의 "눈 라인"물이 수증기에 내부 영역을 분할 원시 행성계 디스크에있는 소위 "눈 라인"(의 온도 ~ 150 K,해야한다는 지적해야 가) 고체 얼음으로 발견 된 외부 지역에서의 위상. 우리는 μm의 크기의 물 – 얼음 입자의 형성이 가능하고 우리는 다음 1-2년 내에서 충돌 행동에 첫 번째 결과가 낙관적 있도록 집계 이들의 16을 생성 할 수 있다는 것을 보여 주었다.
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 |