Forskere laver første observationer af, hvordan et meteorlignende stød forvandler silica til glas

Undersøgelser ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har lavet de første realtidsobservationer af, hvordan silica – et rigeligt materiale i jordskorpen – let forvandles til et tæt glas, når det rammes af en massiv stødbølge, som en genereret fra et meteornedslag .

Resultaterne antyder, at meteorer, der rammer Jorden og andre himmellegemer, er mindre end oprindeligt antaget. Denne nye information vil være vigtig for modellering af planetarisk kropsdannelse og fortolkning af beviser for påvirkninger på jorden.

Forsøgene fandt sted ved SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaser, en DOE Office of Science brugerfacilitet, hvis ultrahurtige pulser kan afsløre processer, der finder sted i milliontedele af en milliardtedel af et sekund med atomopløsning.

"Vi var for første gang i stand til virkelig at visualisere fra start til slut, hvad der sker i et materiale, der udgør en stor del af jordskorpen, " sagde Arianna Gleason fra DOE's Los Alamos National Laboratory (LANL), hovedforsker for undersøgelsen, som udkom 14. november i Naturkommunikation .

Hvordan bliver chokglas på den måde?

Forskere har længe vidst, at nedslag fra meteorer omdanner silikater til en tæt, amorf fase kendt som chokglas. Spørgsmålet er, hvordan dette chokerede glas dannes.

I fortiden, Forskere har forsøgt at estimere mængden af ​​tryk, der er nødvendig for at forårsage denne transformation, ved at undersøge affald fra meteornedslag og klemme mineralprøver i trykceller i laboratoriet, men de var ude af stand til at observere processen, mens den udfoldede sig.

Hos LCLS, forskere kan bruge en intens laserstråle til at skabe en chokbølge, der komprimerer en silicaprøve, og brug derefter røntgenlaseren til at undersøge dens respons på en tidsskala på nanosekunder, eller milliardtedele af et sekund.

En tidligere SLAC undersøgelse, udgivet i 2015, påvist, at silica danner stishovit, en krystallinsk fase, inden for 10 nanosekunder efter at være blevet ramt af den indledende laserpuls. Denne forskning viste, at transformationen skete meget hurtigere, end man tidligere havde troet. Men eksistensen af ​​affald fra meteornedslag, der udelukkende består af stødt glas, tyder på, at stishovit kan være en kortvarig fase, der permanent kan omdannes til stødt glas efter stød.

Væltede antagelser

I den seneste undersøgelse, forskerne benyttede sig af Matter in Extreme Conditions-instrumentet på LCLS til at generere stødbølger, der inducerede forskellige spidstryk i silicaprøver. Efter at have sendt laserpulsen, "Vi ser bare, hvad silica gør naturligt, " sagde Gleason, hvem er LANL Fredrick Reines postdoc.

Analyse af røntgendiffraktionsdata taget med forskellige intervaller efter at spidstrykket var nået, viste, at når trykket er højt nok, stishovite former, men det vender så tilbage til chokglas. Diffraktionsdataene fra LCLS-prøverne matchede data fra stødaffald indsamlet i marken.

Forskere har tidligere antaget, at spidstryk på omkring 40 gigapascal - svarende til 400, 000 gange det atmosfæriske tryk omkring os – der kræves for at skabe chokglas fra silica. Men resultaterne fra denne undersøgelse tyder på, at tærsklen er omkring 25 procent lavere end det, og at stishovite derefter vender tilbage til den chokerede glastilstand på grund af termisk ustabilitet snarere end højere tryk.

"En virkningsbegivenhed har en kort tidslinje, " sagde Gleason, "gør LCLS til et ideelt instrument til at forstå den grundlæggende termodynamik af briller dannet af stød." Gleason forestiller sig at bruge MEC ved LCLS til at undersøge andre jordrige mineraler, såsom feldspat, og for bedre at forstå "regelbogen" for transformationsprocesser.

Gleasons forskning er mere bredt anvendelig på affald fra andre planeter, såsom meteoritter fra Mars, der også indeholder chokglas. Mars-meteoritter indeholder ofte indespærrede flygtige forbindelser, såsom vanddamp og metan. Ingen forstår, hvordan disse forbindelser bliver låst inde i meteoritter, eller hvorfor de ikke undslipper, men fortsat arbejde på LCLS kunne give svar.