Studies aan het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben de eerste real-time waarnemingen gedaan van hoe silica - een overvloedig materiaal in de aardkorst - gemakkelijk verandert in een dicht glas wanneer het wordt geraakt door een enorme schokgolf zoals die wordt gegenereerd door een meteoorinslag .

De resultaten impliceren dat meteoren die de aarde en andere hemellichamen raken kleiner zijn dan oorspronkelijk werd gedacht. Deze nieuwe informatie zal belangrijk zijn voor het modelleren van de vorming van planetaire lichamen en het interpreteren van bewijs van inslagen op de grond.

De experimenten vonden plaats bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, een DOE Office of Science User Facility waarvan de ultrasnelle pulsen processen kunnen onthullen die plaatsvinden in miljoenste van een miljardste van een seconde met atomaire resolutie.

"We waren voor het eerst in staat om van begin tot eind echt te visualiseren wat er gebeurt in een materiaal dat een groot deel van de aardkorst vormt, " zei Arianna Gleason van het Los Alamos National Laboratory (LANL) van het DOE, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, die werd gepubliceerd op 14 november in Natuurcommunicatie .

Hoe komt geschokt glas zo?

Wetenschappers weten al lang dat inslagen van meteoren silicaten omzetten in een dichte, amorfe fase bekend als shocked glass. De vraag is hoe dit geschokte glas ontstaat.

Vroeger, wetenschappers hebben geprobeerd de hoeveelheid druk te schatten die nodig is om deze transformatie te veroorzaken door puin van meteoorinslagen te onderzoeken en mineraalmonsters in drukcellen in het laboratorium te persen, maar ze waren niet in staat om het proces te observeren terwijl het zich ontvouwde.

Bij LCLS, onderzoekers kunnen een intense laserstraal gebruiken om een ​​schokgolf te creëren die een silicamonster comprimeert, en gebruik dan de röntgenlaser om zijn reactie te onderzoeken op een tijdschaal van nanoseconden, of miljardsten van een seconde.

Een eerdere SLAC-studie, gepubliceerd in 2015, aangetoond dat silica stishoviet vormt, een kristallijne fase, binnen 10 nanoseconden nadat ze door de eerste laserpuls zijn geraakt. Uit dat onderzoek bleek dat de transformatie veel sneller ging dan eerder werd aangenomen. Maar het bestaan ​​van puin van meteoorinslagen dat volledig uit geschokt glas bestaat, suggereert dat stishoviet een kortstondige fase kan zijn die na de inslag permanent kan worden omgezet in geschokt glas.

Aannames omverwerpen

In de laatste studie, de wetenschappers maakten gebruik van het Matter in Extreme Conditions-instrument bij LCLS om schokgolven te genereren die verschillende piekdrukken in silicamonsters veroorzaakten. Na het verzenden van de laserpuls, "We kijken gewoon wat de silica van nature doet, " zei Gleason, wie is de LANL Fredrick Reines Postdoctoral Fellow.

Analyse van röntgendiffractiegegevens die met verschillende tussenpozen zijn genomen nadat de piekdruk was bereikt, toonde aan dat wanneer de druk hoog genoeg is, stishoviet vormen, maar het keert dan terug naar geschokt glas. De diffractiegegevens van de LCLS-monsters kwamen overeen met gegevens van in het veld verzamelde inslagresten.

Wetenschappers hebben eerder aangenomen dat piekdrukken van ongeveer 40 gigapascal - equivalent aan 400, 000 keer de atmosferische druk om ons heen - zijn nodig om geschud glas te maken van silica. Maar de resultaten van deze studie suggereren dat de drempel ongeveer 25 procent lager is dan dat, en dat stishoviet keert dan terug naar de geschokte glastoestand vanwege thermische instabiliteit in plaats van hogere druk.

"Een impactgebeurtenis heeft een korte tijdlijn, " zei Gleason, "waardoor LCLS een ideaal instrument is voor het begrijpen van de fundamentele thermodynamica van glazen gevormd door inslagen." Gleason overweegt het MEC bij LCLS te gebruiken om andere aardse mineralen te onderzoeken, zoals veldspaat, en om het "rule book" voor transformatieprocessen beter te begrijpen.

Het onderzoek van Gleason is breder toepasbaar op puin van andere planeten, zoals meteorieten van Mars die ook geschokt glas bevatten. Marsmeteorieten bevatten vaak opgesloten vluchtige verbindingen, zoals waterdamp en methaan. Niemand begrijpt hoe deze verbindingen worden opgesloten in meteorieten of waarom ze niet ontsnappen, maar voortzetting van het werk bij LCLS zou antwoorden kunnen bieden.