De krossade sten för och fick insikt om att inget kan förutses

 

Bild från Hopkins Extreme Materials Institute.

Med hjälp av en ny teknik och avancerade datorsimuleringar avslöjade en forskargrupp att material kan bete sig på oväntade sätt när de träffas i höga hastigheter.

"Vår studie visar att olika delar av ett och samma material och till och med olika sandkorn kan bete sig på mycket olika vis fast de ingår i samma kollision med något", beskriver forskargruppens ledare Ryan Hurley, docent i maskinteknik vid Johns Hopkins Universitys Whiting School of Engineering och forskare vid Hopkins Extreme Materials Institute (HEMI). "Det vi hittade har potential att ligga till grund för tillämpningar som sträcker sig från asteroidavböjning till industriella processer som tillverkning av surfplattor."

Teamet avfyrade projektiler från en gaskanon med hastigheter upp till  2 km/s in i granulara prover bestående av aluminium och soda lime-glas och observerade provernas beteende under de första mikrosekunderna efter nedslaget. Även om experiment som detta vanligtvis görs på plats vid HEMI på JHU:s campus i Baltimore, ägde just detta rum vid Advanced Photon Source (APS) i Chicago eftersom det krävde användning av en  speciell röntgenanläggning för att visualisera nedslaget.

"Om du går till stranden kan du bara se sanden på ytan, men med röntgen kan du se vad som händer under sanden", beskriver Sohanjit Ghosh, doktorand i maskinteknik och artikelns huvudförfattare. – Vi kombinerade röntgenbilder med numeriska modeller som vi har utvecklat och det gör den tvådimensionella röntgenbilden till en tredimensionell process som ger oss en helhetsbild av vad som händer i tid och rum.

Forskarna fann  förutom att kemiska reaktioner leder värmen som skapas av intensiv kompression  att kornen spricker, smälter och stelnar igen.

"Det är intressant att se hur korn interagerar olika med varandra vid olika anslagshastigheter", beskriver Ghosh. "Vi fann att när man går till högre och högre hastigheter överförs så mycket termisk energi att kornen faktiskt smälter men sedan återbildas."

Teamet observerade att olika metalliska material uppvisar olika sätt att avleda energi vid kollision i hög hastighet. Material som aluminium absorberar energi genom att bilda defekter och plasticitet medan spröda material som soda lime-glas avleder energi genom att spricka och fragmentera.

Forskarna säger att dessa resultat kan ligga till grund för framtida uppdrag som liknar 2022 års DART-uppdrag,där en sond slog ner i en asteroid och ändrade dess bana. 

"Alla asteroider har ett lager av sand, som kallas regolit (en region av småsten, sand och damm som finns ovanpå berggrunden)  som yta och när något kolliderar med ytan är det regoliten som skingrar av anslagsenergin", beskriver Ghosh. "Från kombinationen av sådana modelleringar och experiment kan vi dra slutsatser om hur olika material i olika miljöer och påverkansförhållanden kommer att bete sig."

"Tidsramarna för experimenten var mycket korta några hundra nanosekunder", beskriver Ghosh. – Vi förbereder ett helt experiment i en månad och sedan är det över på några mikrosekunder.

Mohmad Thakur, biträdande forskare vid HEMI, var också medlem i forskargruppen vars arbete beskrivs i Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Regolitfyndigheter på Uranus måne, Miranda

 

Regolit ät ordet för ett lager av lös jord som ligger ovan berggrund. Regoliten på jorden består dels av berggrund som vittrat och av växtavlagringar. Regolit finns även på andra planeter, asteroider, månar och andra objekt därute. På Mirandabestår regoliten av en blandning av månens krossade ytlager och meteoriter som krossats på ytan.

Miranda är den minsta och innersta av Uranus fem största månar och har en diameter som är ungefär en sjundedel av vår månes. Den kretsar på ett avstånd av cirka 129850 km från Uranus.

I en studie nyligen publicerad i The Planetary Science Journal beskriver  några  forskare under ledning från Carl Sagan Center vid SETI Institute i Kalifornien det potentiella ursprunget för regolitfyndigheterna på  Miranda. Syftet med studien var att bestämma Mirandas inre struktur framför allt dess inre av värme vilket kan hjälpa till att avgöra om Miranda någonsin hyste  ett inre hav. "Det är osannolikt att Miranda skulle kunnat behålla ett underjordiskt hav till våra dagar på grund av dess lilla storlek", säger Dr. Chloe Beddingfield, forskare vid NASA Ames Research Center.

"Ett kraftigt regolitlager skulle däremot fungera som en isolerande filt och stänga inne värme i Miranda och förbättra livslängden på ett underjordiskt hav under en period. Denna instängda värme skulle också  främja endogen aktivitet under längre period på Miranda.

För studien analyserade forskarna kratrar för att bestämma tjockleken på Mirandas ytregolit. Analyser inkluderade mätning av kraterdjupsdiameterförhållanden, kraterstorleksfrekvensfördelning och den centrala storleken i en specifik krater i detta fall Alonso-kratern. Studiens resultat visade tre potentiella källor för Mirandas kraftiga regolit inkluderat jättestötutkast från dess inre, plymavlagringar (vulkanaktivitet) och ringavlagringar från Uranus. Forskarna säger att de föredrar ringhypotesen grundat på förklaringen till Mirandas blå färg och dess regolits stora rumsliga utsträckning och tjocklek över ytan.

"Om material från Uranus ringar är den primära källan till Mirandas regolit, kan det tyda på att Miranda bildades av ringmaterial och/eller att Miranda migrerade genom ringarna i sin tidiga historia", säger Dr. Beddingfield.

– I de här scenarierna kan Uranus ringar ha varit än tjockare tidigare innan en del av dettas materia hamnade på ex Miranda. Framtida data modelleringsarbete behövs dock för att undersöka denna möjlighet ytterligare. Eftersom Mirandas tjocka isolerande regolit skulle minska värmeförlust och eventuellt förbättra geologisk aktivitet kan regoliten då stödja teorin om den blå koronabildningen", säger Dr. Beddingfield.

" Koronan kan även ha bildats av uppvällande diapirer (uppträngande materia) som bröt Mirandas yta. Kanske ärvde koronan sin polygonala form när dessa diapirer bildades längs redan existerande svaghetsområden i litosfären (yttersta fasta lagret på stenplaneter och månar). Även om förekomsten av Mirandas regolit inte säger oss mycket om de specifika processer som är involverade i koronabildning (energiutstrålning) ger det en känsla av den relativa tidpunkten för händelser och visar att geologisk aktivitet sannolikt inträffat under långa tidsperioder.

I artikeln betonas att det krävs uppföljningsstudier för att bättre förstå de potentiella möjligheterna och inte bara dra slutsatsen att koncentrera på Uranus ringfyndigheter som förklaring på Mirandas tjocka regolit.

Mirandas regolit kan förklaras även av andra processer än ansamling av ringmaterial inklusive materialavsättning på grund av plymaktivitet i tidig historia eller avsättning av utkast av inre matera så kallat jättepåverkan, förklarade Dr. Beddingfield.

Bild vikipedia. Voyager 2 bild av Mirandas trasiga terräng. Verona Rupes, som tros vara de högsta klipporna i vårt solsystem ses längst ner till höger på Miranda och beräknas ha en höjd av ca 20 km.

Vattenplaneter vanliga enligt nya rön

 

I en ny studie visas att fler planeter kan ha stora mängder vatten än man tidigare trott - så mycket som hälften vatten och hälften sten. Men vattnet är förmodligen inbäddat i berget eller som is snarare än i flytande form i sjöar och hav.

"Det var en överraskning att se bevis på att så många vattenvärldar kan kretsa kring den vanligaste typen av stjärna i galaxen. Det får enorma konsekvenser i sökandet efter beboeliga planeter." säger Rafael Luque, huvudförfattare på den nya artikeln och postdoktor vid University of Chicago.

 Luque hade tillsammans med medförfattare Enric Pallé från Institute of Astrophysics på Kanarieöarna och University of La Laguna, bestämt sig för att se på en grupp planeter som finns runt en typ av stjärna som kallas en M-dvärg. Dessa stjärnor är de vanligaste stjärnorna vi ser i vår galax och forskare har hittills katalogiserat många planeter runt dem.

Men eftersom stjärnor är så mycket ljusare än sina planeter kan vi inte se själva planeterna. Istället upptäcker forskare vanligast svaga tecken på planeternas effekter på deras stjärnor - skuggan som skapas när en planet korsar framför sin stjärna. Det betyder att många frågor kvarstår om hur dessa planeter faktiskt ser ut.

"De olika sätten att upptäcka planeter ger olik information", säger Pallé. Genom att fånga skuggan som skapas när en planet rör sig  framför sin stjärna kan forskare mäta planetens diameter. Genom att mäta den lilla gravitationskraften som en planet utövar på en stjärna kan forskare analysera dess massa.

Genom att kombinera de två mätningarna kan forskare få en  kunskap om planetens sammansättning. Kanske är det en stor men luftig planet som mestadels består av gas som Jupiter, eller en liten, tät, stenig planet som jorden.

Dessa analyser hade gjorts av enskilda planeter, men mycket mer sällan för hela den kända populationen av liknande planeter i Vintergatan. När forskarna såg på siffrorna - totalt 43 planeter - såg de en överraskande bild växa fram. Densiteten hos en stor andel av planeterna var för lätt för att deras storlek skulle bestå av ren sten. Istället är dessa planeter förmodligen bestående av hälften sten och hälften vatten, eller en annan lätt molekyl. Dessa planeter är dock så nära sina solar (M stjärnor är dvärgstjärnor) att något vatten troligen inte kan existera i gas eller flytande form. Istället kan vattnet finnas  i berget eller i fickor under ytan. Dessa förhållanden skulle likna Jupiters måne Europa, som tros ha flytande vatten under sin isiga yta.

"Jag blev chockad när jag såg den här analysen - jag och många människor inom fältet antog att dessa planeter var torra, steniga planeter", säger UChicago exoplanetforskare Jacob Bean, vars grupp Luque nu önskar göra fler analyser.

Fyndet matchar en teori om exoplanetbildning som fallit i onåd de senaste åren vilken säger att många planeter bildats längre ut i sina solsystem och sedan vandrat inåt över tid. Föreställ dig klumpar av sten och is som bildas tillsammans under kalla förhållandena långt ifrån en stjärna och sedan dras långsamt inåt av stjärnans gravitation.

Men mer forskning och analys behövs för att veta mer och det är något man hoppas James Webbteleskopet  efterföljaren till Hubble ska ge.

Majoriteten av forskningen utfördes som Luques doktorsavhandling vid Institute of Astrophysics på Kanarieöarna.

Men (min anm.) kan det vara så att dessa planeter istället är löst sammanfogade som popcorn istället för vattenrika? Jag tänker då på den jordnära asteroiden Bennu som består av en löst sammanfogad regolit över en mindre fast yta och är betydligt mindre vattenrik än ovan analys. Bara en tanke från mig.

Bild flickr.com på hur en molnrik vattenvärld kan se ut från rymden.