Exploring the transition from sticking to bouncing for millimeter-sized dust aggregates

Weidling, René

In the past years, systematic star surveys with dedicated instruments such as the Kepler spacecraft or the HARPS spectrometer (High Accuracy Radial Velocity Searcher) have revealed the existence of thousands of planets outside of our solar system. These findings have renewed the interest in the formation process of planets. At the same time, they provide a challenge to researchers in providing a multitude of possible orbital configurations that models must be able to explain. In the early phases of planet formation, growth is governed by intermolecular forces and not yet by gravity. Starting at micrometer sizes, dust particles collide with each other and initially stick together due to the van der Waals force to form larger aggregates. Laboratory experiments are an important means of exploring the outcome of such collisions. The results are then used as input for growth simulations which follow the evolution of the dust particles. In one such simulation, Zsom et al. (2010) found the transition from sticking to bouncing to be important for the maximum size the dust aggregates can grow to. In this work, an experimental setup suitable for generating collisions between millimeter-sized dust aggregates at velocities of millimeters to centimeters per second under microgravity conditions is presented. This is the velocity range where the sticking-bouncing transition is expected to occur. Additionally, a numerical model for these collisions is developed and used to predict the outcome of collisions for aggregates of other sizes. Furthermore, a comparison between an analysis of the experimental results using two- and three-dimensional data is made. It shows that for velocity evaluation 2D data from just one camera perspective is sufficient, while accurate values for the coefficient of restitution and the impact parameter require 3D input. The experimental results show the transition zone between sticking and bouncing to be much broader than assumed previously.

In den vergangenen Jahren wurden bei der systematischen Untersuchung von Sternen mit speziellen Instrumenten wie dem Kepler-Weltraumteleskop oder dem HARPS-Spektrometer (High Accuracy Radial Velocity Searcher) tausende Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Während diese Entdeckungen das Interesse an den genauen Prozessen die zur Entstehung von Planeten führen erneuert haben, stellen sie gleichermaßen Forscher vor die Herausforderung, dass ihre Modelle eine Vielzahl an möglichen Bahnparametern der so entstandenen Planetensysteme erklären können müssen. In der Frühphase der Planetenentstehung wird das Wachstum von Teilchen nicht durch Gravitation, sondern durch intermolekulare Kräfte bestimmt. Anfänglich etwa mikrometergroße Staubteilchen kollidieren miteinander und haften aufgrund von Van-der-Waals-Kräften aneinander. Laborexperimente dienen dazu, die Resultate solcher Kollisionen zu untersuchen und zu klassifizieren. Daraus kann dann ein Kollisionsmodell erstellt werden, auf Grundlage dessen Wachstumssimulationen durchgeführt werden können, die die Entwicklung der Staubteilchen vorhersagen. Zsom et al. (2010) haben ein solches Modell entwickelt und dabei herausgefunden, dass es für die maximale Größe zu denen die Staubaggregate wachsen können, von entscheidender Bedeutung ist unter welchen Voraussetzungen diese in Kollisionen aneinander haften bleiben oder voneinander abprallen. In dieser Arbeit wird ein Versuchsaufbau vorgestellt, mit dem sich Kollisionen von millimetergroßen Staubaggregaten bei Geschwindigkeiten von Millimetern bis Zentimetern pro Sekunde unter Schwerelosigkeitsbedingungen untersuchen lassen. In diesem Geschwindigkeitsbereich wird der Übergang von Haftung zu Abprallen vermutet. Weiterhin wird ein Kollisionsmodell basierend auf den Ergebnissen der Kollisionen millimetergroßer Staubagglomerate entwickelt und geprüft, ob Vorraussagen für Kollisionen von Aggregaten anderer Größe getroffen werden können. Darüber hinaus werden die Ergebnisse des Experiments einmal basierend auf zwei- und einmal basierend auf dreidimensionalen Daten ausgewertet. Ein Vergleich zeigt, dass es für die Ermittlung von Kollisionsgeschwindigkeiten ausreicht, 2D-Daten zu benutzen, während für den Restitutionskoeffizienten und den Impaktparameter 3D-Informationen benötigt werden. Die Ergebnisse der Experimente deuten darauf hin, dass dieser Übergangsbereich von haftenden zu abprallenden Stößen deutlich breiter ist als bisher angenommen.

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Weidling, René: Exploring the transition from sticking to bouncing for millimeter-sized dust aggregates. 2017.

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