Fremstilling af simuleret kosmisk støv - i mikrobølgeovnen

Kosmisk støv er nøglen til stjernernes kemiske udvikling, planeter, og selve livet, men dens sammensætning er ikke godt forstået, og vi kan i øjeblikket ikke indsamle prøver til analyse. Et par eksempler er ankommet til Jorden som interplanetariske støvpartikler og kometstøv, i meteoritter, men deres komplicerede historie betyder, at de måske ikke er repræsentative.

Vores primære metoder til at undersøge egenskaberne af kosmisk støv, derfor, er astronomiske observationer og laboratorieforsøg på analoge materialer. Kosmisk støv deler sig bredt i sodlignende kulstofkorn og de mere rigelige ildfaste silikatkorn, som begge udstødes fra døende stjerner.

Observationer fortæller os, at både amorfe og krystallinske silikater dannes i støvet omkring røde kæmpestjerner i varierende proportioner, men at det interstellare medium (ISM) kun indeholder amorfe silikater. I arbejde for nylig udgivet i Astronomi og astrofysik , et hold diamantforskere under ledelse af Dr. Stephen Thompson demonstrerede, at mikrobølgetørring kan bruges til billigt og nemt at producere amorfe Mg-Fe-silikater. De undersøgte derefter deres krystallisation ved in situ termisk udglødning og betragtede resultaterne i sammenhæng med modellering af støvkorn i protoplanetariske skiver.

Støv er det første faste stof, der dannes, og at undersøge kosmisk støv er et meget aktivt felt inden for astrofysik. Vi kan ikke kopiere dannelsesbetingelserne for kosmisk støv her på Jorden nøjagtigt, og ingen enkelt metode til at fremstille analoge støvprøver i laboratoriet kan simulere alt det støv, vi observerer omkring stjerner og i det interstellare medium. Imidlertid, ved at skabe og karakterisere disse prøver, og sammenligne dem med astronomiske data for at se, hvor de ligner hinanden, og hvor de adskiller sig, vi øger vores forståelse af dannelsen, sammensætning og udvikling af deres kosmiske modstykker

Sol-gel-processen er en kemisk metode, der bruges til at fremstille faste materialer fra små molekyler. Sol-gels har en konsistens svarende til håndcreme og skal tørres for at danne støvprøverne. Lufttørring tager omkring 24 timer og er tidskrævende for forskere, der ønsker at producere flere prøver.

Et andet udfordrende aspekt ved fremstilling af analoge støvprøver er inklusion af jern, som - på Jorden - har tendens til at danne rust (jernoxider), som ikke ses i rummet. Selvom vi ser tegn på jern i stjerner og planeter, vi ser det ikke i det interstellare medium. Dette er problemet med "manglende jern", og en mulig forklaring er, at jernet er til stede i nanopartikler for små til at se. En anden er, at jern er 'låst inde' i silikatmineraler, i mængder for lave (mindre end 10%) til at påvirke støvets spektrale egenskaber.

Brug af sol-gel til at inkorporere jern i silikatstrukturen kræver særlige tørrebetingelser, og Dr. Thompson og hans team havde tidligere udviklet en vakuumtørringsproces. Det tog dog flere dage at gennemføre fra start til slut.

Forskerne, derfor, undersøgt, om de kunne fremskynde produktionen af ​​analoge prøver, og producerer jernholdigt silikatstøv, ved hjælp af en hyldevare mikrobølgeovn.

Forskerholdet mikrobølgetørrede geler med og uden jern, og undersøgte deres egenskaber ved hjælp af røntgenpulverdiffraktion og total røntgenspredning på beamline I11, småvinklet røntgenspredning på I22, og mid-IR FTIR-spektroskopi. De sammenlignede de mikrobølgetørrede prøver med prøver fremstillet af den samme gel, men tørret konventionelt, ved brug af konventionel luftovn og vakuumovn.

Meget af det eksperimentelle arbejde blev udført af Anna Herlihy i løbet af hendes år i industrien hos Diamond. Anna var midt i en uddannelse på St. Andrews University og kom til Diamond for at undersøge produktionen af ​​amorfe nanopartikler. Den kosmiske støvforskning opstod fra hendes arbejde, og – inspireret af sin erfaring – har Anna afsluttet sin uddannelse og læser nu til en ph.d. ved Warwick University.

Resultaterne viser, at dette er en fremragende, hurtig, nem og billig metode til fremstilling af analoge støvprøver. Holdet håber, at det vil blive vedtaget af laboratoriefysikere andre steder, men det kan også have industrielle anvendelser, f.eks. som et middel til at producere nanostrukturerede materialer.

Den næste fase af denne forskning var at undersøge, hvad der sker med de amorfe prøver, når de opvarmes. Observationer viser, at gamle stjerner udsender amorfe silikatmineraler. En gang i det interstellare medium, disse ender til sidst i stjernedannende områder og akkumuleres i protoplanetariske skiver, roterende skiver af tæt gas og støv omkring unge stjerner. I skiven varmes støvkornene op, og til sidst krystalliseres til genkendelige mineraler. Protoplanetariske skiver repræsenterer således udviklingsstadiet mellem stjernefødsel og planetdannelse. Vi ved, at skiven er varmere tættere på stjernen, og så at forstå temperaturen, hvorved disse mineraler krystalliserer, kan fortælle os, hvor de ville være i skiven, og hvor længe de var der.

Forskerne fandt ud af, at tilsætning af selv en lille mængde jern til silikatmineralerne dramatisk øgede temperaturen, hvorved de krystalliserede. Så meget, faktisk, at alle jernholdige silikater gennem det meste af skiven ville forblive amorfe, matcher astronomernes observationer om, at der for det meste er magnesiumrige mineraler til stede. Diamond-teamet fandt også små mængder krystobalit (en højtemperatur SiO ₂ mineral) dannet i de jernfrie silikater. Tilsvarende små mængder SiO ₂ er også observeret i protoplanetariske skiver og, afgørende, blev også fundet i det tidlige solsystems kometmaterialer, der blev genfundet af STARDUST prøvereturmissionen. Som de første planetesimale objekter, der er dannet i solsystemet, kometer har længe været betragtet som depoter af materialer tilbage fra vores eget solsystems dannelse, en proces, der ville være begyndt i Solens protoplanetariske skive.

For Diamond-teamet, denne forskning er kun begyndelsen. De vil fortsætte med at udforske deres nye mikrobølgemetode, bruge det til at fremstille støvprøver med forskellige sammensætninger. Hver prøve bringer os et skridt tættere på at forstå mere om kosmisk støv og hvordan planetsystemer dannes. Hvem ville have gættet en køkkenmikroovn kunne hjælpe med det?