Vi presenterar en teknik för att uppnå låg hastighet till medelhastighets kollisioner mellan bräckliga stoft aggregat i laboratoriet. För detta ändamål har två vakuum droppe torns uppställningar utvecklats som tillåter kollisionshastigheter mellan <0,01 och ~ 10 m / sek. Kollisions händelser registreras av höghastighets bildbehandling.
I syfte att undersöka utvecklingen av damm aggregat i början av solsystemet, utvecklade vi två vakuum drop torn där ömtåliga damm aggregat med storlek upp till ~ 10 cm och porositet på upp till 70% kan kolliderat. En av de dropptorn används främst till mycket låga hastigheter konsekvens ner till under 0,01 m / sek och använder sig av en dubbel frigöringsmekanism. Kollisioner spelas in i stereo-vy av två höghastighetskameror, som faller längs glas sugrör i mitten-av-mass ramen för de två damm aggregaten. Den andra fritt fall torn utnyttjar en elektromagnetisk accelerator som är i stånd att försiktigt accelererande dammaggregat till upp till 5 m / sek. I kombination med lanseringen av en annan damm aggregat till fritt fall, snabbar kollision upp till ~ kan uppnås 10 m / sek. Här, två fasta höghastighetskameror registrerar kollisionshändelser. I båda falltorn, damm aggregaten är i fritt fall under kollisionen så att de är viktlös och matchaförhållandena i den tidiga solsystemet.
Det är allmänt accepterat att planetbildning börjar med den icke-gravitations anhopning av mikroskopiskt små dammkorn till större damm aggregat (se recension från Blum & Wurm) 1. Dammpartiklarna kolliderar inom sina protoplanetary skivor på grund av Brownsk rörelse, relativglidning rörelser och turbulens nebular gas (se översikt av Johansen et al.) 2. Om kollisionshastigheterna är tillräckligt låga, dammpartiklar fastnar i varandra för att bilda större agglomerat. En uppsjö av laboratoriemätningar under de senaste åren har lett till en damm-aggregat kollision modell som förutsäger resultatet av ett par av damm aggregat med godtyckliga massor och kollisionshastigheter 3. De grundläggande kollisioner resultat sticker (i allmänhet för små samlade massorna och låga kollisionshastigheter), studsande och fragmentering (för hög slaghastighet). Emellertid övergångarna mellan dessa faser är inte skarp och det finns andrautfall, som t.ex. massöverföring eller erosion. Att tillämpa denna modell till en typisk protoplanetary disk förutspår att tillväxten i cm-stora damm aggregat inom några tusen år 4. Förekomsten av cm stora stoftaggregat har undersökts genom astronomiska observationer under de senaste åren och kan nu anses vara etablerad (se recension av Testi et al.) 5, så att vi drar slutsatsen att principen mekanism genom vilken de första makroskopiska kroppar i unga planetsystem formulär har identifierats.
Dock är det fortsatt tillväxt på kroppar av minst kilometerstorlekar inte så tydlig. För mark-planet region är två hypoteser för närvarande diskuteras (se även de senaste recensioner på denna fråga genom Johansen m fl 2 och Testi m.fl. 5..): (I) koncentration i cm-stora stoftaggregat med, t.ex. streaming instabilitet 6 och efterföljande Gravittiva kollaps 7,8 och (ii) tillväxt av några "lyckliga vinnare" till större storlekar med efterföljande mass anhopning av massöverföringsprocessen 9,10,11. I båda modellerna, cm stor stoft aggregat genomgår ett enormt antal ömsesidiga kollisioner vid låga till måttliga hastigheter. Det är oklart vad de möjliga resultaten av dessa kollisioner (förutom studsar) är.
För att förbättra damm samlade kollisionsmodell från Güttler et al. 3 och att undersöka mer i detalj kollisionerna mellan makroskopiska damm-aggregat i de aktuella hastighets regimer, vi inrättat två dropptorn i vårt laboratorium, där individuella aggregerade-aggregat kollisioner kan studeras i detalj under vakuum och mikrogravitation villkor. Båda drop torn har en fri fallhöjd på 1,5 meter, vilket begränsar observationstiden till ~ 0,5 sek. Alltså, vi observera kollisioner med höghastighetskameror med megapixel format och upp till 7.500 bilder per sekund.För maximal kontrast och hög inspelningshastigheter, är ljusfält belysning valts. Belysning är alltså från högintensiva LED-paneler och homogeniseras med diffusor skärmar. Således höghastighetskameror visa kolliderande dammet aggregat som mörka föremål framför en upplyst skärm. För att undvika flimmer, lysdioderna är likströmsdrivna.
För att uppnå låga kollisionshastigheter, är de två damm aggregat placeras ovanför en annan i en dubbel frigöringsmekanism. Frigöra övre aggregat en tid av t innan de lägre en resulterar i en relativ hastighet av v = gt, med g = 9,81 m / s 2 är gravitationsaccelerationen av jorden. De två höghastighetskameror, som visa kollisionen från två håll 90 ° ifrån varandra, är vanligtvis ut i mellan de två dammaggregat (typiskt t / 2 efter den övre partikel). Kamerorna drivs i kontinuerlig tagning, som avslutas av effekterna av kamerainnehavare till sand hinkar. Den maximala bildfrekvensen i detta driftläge är 1.000 bilder per sekund vid upplösning megapixel. Med denna inställning, hastigheter ner till under 0,01 m / sek har uppnåtts. På grund av begränsningar i den mekaniska inställningen av utlösningsmekanismen dubbel, är det maximala relativa kollisionshastighet ~ 3 m / sek. Kollisioner som involverar damm aggregat med upp till 5 cm i storlek har undersökts i denna drop torn. För högre kollisionshastigheter upp till ca 10 m / sekund, en andra dropptorn användes, vilken är utrustad med en elektromagnetisk accelerator som är i stånd att jämnt accelerera damm aggregat upp till 5 m / sek i en vertikal uppåtgående riktning. Den andra damm aggregat hålls av en dubbel-wing fallucka frigöringsmekanism och kan frigöras rotationsfritt i fritt fall vid varje given tidpunkt. Här är det inte meningsfullt att använda fritt fallande kameror. Vi använder hellre två stationära höghastighetskameror med upp till 7.500 bilder per sekund och upplösning megapixel. På grund av den större Diameter av denna droppe torn, samlar damm på upp till (och möjligen ovan) 10 cm i storlek kan användas.
På grund av den höga mekaniska precision, är felfrekvensen för både dropptorn extremt låg. Detta är av yttersta vikt, eftersom provberedning kan ta upp till flera timmar, beroende på storlek, form och porositet av de önskade damm aggregaten. Det bör nämnas att stora damm aggregat med mycket höga porositeter är extremt bräckliga, och således svåra att hantera. Det kan hända att de här damm aggregat sönder vid utvinning av mögel eller överföring till drop tornet. I dessa fall har ett nytt prov för att vara förberedd. Således är det viktigt att den lilla droppe torn tillåter tillförlitliga (och förutsägbara) kollisionshastigheter ner till 0,01 m / sek 11,13. Den lägsta kollisionshastigheten hittills uppnåtts var 0,004 m / sek. Dessa små slaghastigheter kan endast nås för fria partiklar i en tyngdlöshet miljö. Laboratoriet droppe torn är en billig och mångsidig förverkligande av en sådan mikrogravitation anläggning.
Alternative metoder för att uppnå låga hastigheter konsekvens utnyttja levitation tekniker 14,15 (t.ex. genom elektromagnetiska eller aerodynamisk levitation) men i allmänhet framkallar en kraft mellan de kolliderande partiklar, som har att ta hänsyn till i analysen av kollisioner. Dessutom framkallar levitation ofta roterande rörelse 14, som, om oönskade, inte tillåter rotationsfria kollisioner, men, å andra sidan, kanske till och med låta realistiska simuleringar av kollisioner mellan roterande partiklar. Vid aerodynamiska levitation, kan svävare effekter under kollisionen framkalla oönskade villkor som inte matchar de i protoplanetary diskar. Dock tillåter levitation för obegränsad observationstid och repeterbara experiment så att det måste betraktas som ett alternativ till drop tornet om tidsbegränsningen är nödvändig. Alla våra ansträngningar hittills har koncentrerats på SiO 2 som representant för de silikater i mark-planetbildning region unga Solar Systems. Eftersom de flesta av massan av protoplanetary diskar är koncentrerad bortom kondenspunkten för vatten is, är det viktigt att också studera kollisionen beteende aggregat bestående av mikrometer stora H 2 O-is korn. Vi håller på att sätta upp ett kryo-vakuum släppa torn för detta ändamål. Det måste noteras att temperaturerna i sådana simuleringsexperiment måste ligga under ~ 150 K, vilket är temperaturen hos den så kallade "snö line" i protoplanetary skivor ("snön line" som skiljer de inre regionerna där vatten i ångan fasen från de yttre områdena där det finns som fast isglass). Vi har visat att bildningen av im stora vatten-ispartiklar är genomförbar och att aggregat därav kan produceras 16, så att vi är optimistiska att få de första resultaten på deras kollision beteende inom de närmaste 1-2 åren.
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 |