Измерение силы сцепления фрагментов метеорита для определения подвижности астероидов
Сила сцепления частиц астероидов влияет на микрогравитацию и может быть оценена при нескольких предположениях о размере частиц и их чувствительности к форме частиц. В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Юя Нагааши и исследовательская группа по планетологии из Университета Кобе в Японии привели данные измерения силы сцепления фрагментов метеорита.
Художественное изображение пояса астероидов между Марсом и Юпитером в Солнечной системе. Кредит: mopic/shutterstock
Сила сцепления частиц астероидов влияет на микрогравитацию и может быть оценена при нескольких предположениях о размере частиц и их чувствительности к форме частиц. Приблизительно сотни килограммов материала ежедневно попадают в атмосферу Земли из космоса и фильтруются в виде мельчайших крупинок и мелкой пыли. Многие метеориты, достигающие Земли из космоса, представляют собой обломки астероидов.
В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Юя Нагааши и исследовательская группа по планетологии из Университета Кобе в Японии провели измерения силы сцепления фрагментов метеорита. Сила сцепления частиц астероидов была на порядки меньше, что привело к высокой подвижности частиц поверхности астероидов, обнаруженных во время исследования космоса. Для астробиологов, интересующихся самой ранней историей Земли и Солнечной системы, эти частицы, сохранившиеся почти без изменений, предлагают важную информацию о самом раннем периоде истории Солнечной системы.
Сила сцепления частиц. (A) Измеренная сила сцепления осколков метеорита Альенде и озера Тагиш, приготовленных с помощью ступки и пестика или удара снаряда, по гладкому предметному стеклу в условиях окружающей среды. Подогнанные кривые были получены на основе уравнения 3 в статье. (B) Измеренная сила сцепления осколков Альенде размером в десятки микрометров и микрометров с предметным стеклом из нержавеющей стали в условиях окружающей среды. Значение крупных фрагментов примерно в два раза выше, чем на предметном стекле в (А), что может согласовываться с тенденцией к тому, что постоянная Гамакера металлов больше, чем у кремнезема. (C) Схематическая диаграмма состояний контакта фрагментов метеорита разных размеров с горками, полученная на основе измерений силы сцепления. Левый фрагмент представляет фрагменты размером в десятки микрометров при 1 gE, средний фрагмент представляет фрагменты микрометрового размера при 1 gE, а правый фрагмент представляет собой фрагменты микрометрового размера при 8 × 104 gE. (D) Сравнение измеренной силы сцепления агрегатов размером в десятки микрометров, состоящих из шариков кремнезема субмикронного размера, по отношению к предметному стеклу в условиях окружающей среды, и силы сцепления, оцененной по соотношению, полученному для шариков кремнезема микрометрового размера в зависимости от размера. распределение составляющих сфер. Сплошная кривая указывает на измерения, пунктирная кривая указывает на предсказание, а тонкая пунктирная кривая указывает на трехкратное предсказание. Кредит: (D) Сравнение измеренной силы сцепления агрегатов размером в десятки микрометров, состоящих из шариков кремнезема субмикронного размера, по отношению к предметному стеклу в условиях окружающей среды, и силы сцепления, оцененной по соотношению, полученному для шариков кремнезема микрометрового размера в зависимости от размера. распределение составляющих сфер. Сплошная кривая указывает на измерения, пунктирная кривая указывает на предсказание, а тонкая пунктирная кривая указывает на трехкратное предсказание. Кредит: (D) Сравнение измеренной силы сцепления агрегатов размером в десятки микрометров, состоящих из шариков кремнезема субмикронного размера, по отношению к предметному стеклу в условиях окружающей среды, и силы сцепления, оцененной по соотношению, полученному для шариков кремнезема микрометрового размера в зависимости от размера. распределение составляющих сфер. Сплошная кривая указывает на измерения, пунктирная кривая указывает на предсказание, а тонкая пунктирная кривая указывает на трехкратное предсказание. Кредит: пунктирная кривая указывает прогнозы, а тонкая пунктирная кривая указывает трехкратный прогноз. Кредит: пунктирная кривая указывает прогнозы, а тонкая пунктирная кривая указывает трехкратный прогноз. Кредит:Научные достижения (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add3530
Фундаментальные силы, лежащие в основе происхождения планет
Начало формирования планет зависит от сил сцепления и сцепления между одинаковыми и разными типами частиц, которые являются ключом к пониманию эволюционных и эоловых процессов на планетах. Сила сцепления является фундаментальным фактором, влияющим на процессы коагуляции и влияет на малые тела в условиях микрогравитации . Например, она представляет собой фундаментальную силу, лежащую в основе миграции частиц из-за давления газа из космического корабля или из-за ускорения сейсмических волн в результате удара.
Чтобы провести прямые измерения таких сил сцепления, Нагааши и его коллеги использовали центробежный метод и произвели фрагменты углистых хондритов Альенде и озера Тагиш с помощью двигателя и пестика и получили образцы с хорошо охарактеризованными поверхностными структурами. Команда провела измерения в вакуумных условиях или после их нагрева, чтобы наблюдать за лежащим в основе ударом.
Силы сцепления фрагментов метеоритов и содержание матрицы в метеоритах. Незаштрихованные символы и пунктирные полосы погрешностей указывают на измерения в условиях окружающей среды. В этом исследовании были получены значения для озера Тагиш и метеорита Альенде; все остальные значения основаны на предыдущем исследовании. Сила сцепления, приходящаяся на точку контакта между частицами, была скорректирована на половину (поскольку значения, полученные центробежным методом, измерялись между частицей и предметным стеклом) и на треть (поскольку частицы размером в десятки микрометров находились в контакте с предметным стеклом). примерно в трех точках). Значения содержания матрицы были получены из предыдущих исследований. Графики и планки погрешностей представляют типичные значения и диапазон кумулятивной числовой доли, соответствующей от 0,25 до 0,75, рассчитанной путем подгонки уравнения. 3 к измерениям соответственно. Заштрихованные символы и сплошные столбцы погрешностей представляют силы сцепления, в 3,5 раза превышающие силы, измеренные в условиях окружающей среды. Значения приведены в Таблице 1. Кредит:Научные достижения (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add3530
Техническая характеристика фрагментов метеорита
Для изучения формы фрагментов метеорита Нагааши и его команда использовали оптическую микроскопию и конфокальную лазерную сканирующую микроскопию . Результаты не различали методы фрагментации и не указывали на значительную разницу в измерениях силы сцепления между фрагментами одного и того же метеорита. Однако, когда команда сравнила два типа метеоритов, они отметили, что сила сцепления осколков Альенде в несколько раз выше, чем у осколков озера Тагиш.
Низкая сила сцепления и высокая поверхностная подвижность астероидных частиц. (А) Сравнение сил гравитации и сцепления, действующих на частицы на поверхности астероидов С- и S-типа диаметром 0,5 км. Пунктирные линии указывают на гравитацию. Серая сплошная линия указывает на силу сцепления, пропорциональную размеру частиц. Синие и красные сплошные линии указывают на трехкратное увеличение типичных сил сцепления на указанную точку контакта. Мы предположили, что типичные силы сцепления для астероидов С- и S-типа являются средними для углеродистых и обычных хондритов соответственно. Заштрихованные области представляют прогнозируемый диапазон силы сцепления для частиц с усредненными типичными силами сцепления. Диапазон когезионной силы, соответствующий кумулятивной доле числа от 0,25 до 0,75, в среднем приблизительно в 0,28-1,5 раза превышал типичную когезионную силу. Пунктирные линии показывают предсказанные силы сцепления с учетом пластической деформации из-за веса частицы. (B) Давление, необходимое для преодоления силы тяжести и силы сцепления. Штриховые кривые показывают случай, когда сила сцепления пропорциональна размеру частиц. Сплошные кривые указывают на случай силы сцепления, полученной в этом исследовании. Кредит:Научные достижения (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add3530
Исследователи использовали атомно-силовую микроскопию , чтобы выявить тонкие структуры поверхности фрагментов метеорита, полученные из образцов озера Тагиш, и показали, что силы сцепления зависят от поверхностных структур в субмикронном масштабе. Когда они нагрели образцы, сила сцепления увеличилась в три-четыре раза из-за испарения водяного пара с поверхности и уменьшения состава воды, что привело к процессу пропорционального увеличения поверхностной адгезии, чтобы показать, что сцепление фрагментов метеорита зависит от топология их поверхности.
Компоненты метеорита, как правило, становятся более мелкими после претерпевающих нижележащие водные изменения и более крупными после термических изменений. Обычно ученые обнаруживали силу сцепления частиц на поверхности астероидов на основе сил Ван-дер-Ваальса, пропорциональных размеру частиц.
Микроскопическая морфология частицы. (A) Морфология поверхности каждого типа частиц образца, полученная с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, и (B) одномерный профиль, извлеченный из данных. Горизонтальная ось показывает расположение вдоль линии, перпендикулярной линии визирования, а вертикальная ось показывает высоту. Данные для фрагмента грунта Альенде и частицы кварцевого песка взяты из предыдущего исследования. Авторы и права: Научные достижения (2023 г.). DOI: 10.1126/sciadv.add3530
Номер Бонда
Точки контакта между частицами зависели от соотношения сил гравитации и сцепления, известного как число Бонда. Ранее ученые предполагали, что сила сцепления пропорциональна размеру частиц; однако общая сила сцепления на фрагмент была меньше, что указывает на подвижность частиц на небольшом астероидном теле.
Нагааши и его команда дополнительно изучили подвижность частиц в небольшом астероидном теле относительно давления, необходимого для преодоления силы гравитации и сцепления, и получили значения ниже ожидаемых. Такие доказательства переноса массы были общими для астероидов Итокава, Рюгу и Бенну, подтверждая теоретические оценки, сделанные в исследовании. Кроме того, пластическая деформация частиц может привести к большей силе сцепления, которую исследователи учитывали на астероидах, изучая внешний вид их поверхности или топологию.
Конфигурация измерения силы сцепления при пониженном давлении. (A) Схематическая диаграмма приложения центробежной силы при пониженном давлении. Силу сцепления частиц измеряли при пониженном давлении в пространстве, ограниченном предметным стеклом и клапанной минивакуумной камерой. (B) Нагрев частиц осуществлялся путем помещения предметного стекла с частицами в контакт с горячей пластиной. (C) Изображения фрагментов Альенде в оптическом микроскопе после нагревания (250 ℃) и вакуумирования (~ 10–3 Па) в течение 48 ч на предметном стекле до и после применения центробежных ускорений 10, 1020 и 103gE. Шкала бара составляет 100 мкм. (D) Конфигурация для получения изображения оптического микроскопа. Микрометры использовались для настройки предметного стекла для получения изображений одного и того же места. Кольцо светоизлучающих диодов (LED) использовалось для визуализации частиц, прикрепленных к внутренней поверхности предметного стекла. Кредит:Научные достижения (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add3530
Перспектива
Таким образом, Юя Нагааши и его коллеги исследовали и охарактеризовали силы сцепления или сцепления, лежащие в основе метеоритов или частиц астероидов. Общую модель процесса формирования Солнечной системы можно составить из свидетельств, полученных с помощью метеоритов и телескопических исследований астероидов. Описанная здесь работа сосредоточена на понимании сил когезии и адгезии, лежащих в основе агломерации зерен в слое пыли с образованием комков, которые накапливают твердое вещество в крупномасштабных планетезималях. Такие тела со временем быстро разрастались, образуя зародыши планет.
Основной пояс астероидов, расположенный между Марсом и Юпитером, представляет собой уцелевшие остатки раннего протопланетного и планетарного эмбрионального населения внутренней Солнечной системы. Метеориты, происходящие из этой популяции пояса астероидов, дают подробные сведения для измерения сил сцепления и сцепления, лежащих в основе происхождения Солнечной системы.
