Studier vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory har gjort de första realtidsobservationerna av hur kiseldioxid-ett rikligt material i jordskorpan-lätt förvandlas till ett tätt glas när det träffas av en massiv chockvåg som en som genereras från en meteorpåverkan .

Resultaten innebär att meteorer som träffar jorden och andra himmelska föremål är mindre än man ursprungligen trodde. Denna nya information kommer att vara viktig för modellering av planetarisk kroppsbildning och tolkning av bevis på påverkan på marken.

Experimenten ägde rum vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, en DOE Office of Science User Facility vars ultrasnabba pulser kan avslöja processer som äger rum i miljoner av en miljarddel av en sekund med atomupplösning.

"Vi kunde för första gången verkligen visualisera från början till slut vad som händer i ett material som utgör en stor del av jordskorpan, "sa Arianna Gleason från DOE:s Los Alamos National Laboratory (LANL), huvudutredaren för studien, som publicerades 14 november i Naturkommunikation .

Hur blir chockat glas på det sättet?

Forskare har länge vetat att effekter från meteorer omvandlar silikater till en tät, amorf fas kallad chockglas. Frågan är hur detta chockade glas bildas.

Förr, forskare har försökt uppskatta mängden tryck som behövs för att orsaka denna omvandling genom att undersöka skräp från meteorpåverkan och pressa mineralprover i tryckceller i labbet, men de kunde inte observera processen när den utvecklades.

Vid LCLS, forskare kan använda en intensiv laserstråle för att skapa en chockvåg som komprimerar ett kiseldioxidprov, och sedan använda röntgenlasern för att undersöka dess svar på en tidsskala av nanosekunder, eller miljarddels sekund.

En tidigare SLAC -studie, publicerad 2015, visat att kiseldioxid bildar stishovit, en kristallin fas, inom 10 nanosekunder efter att ha träffats av den initiala laserpulsen. Den forskningen visade att omvandlingen skedde mycket snabbare än man tidigare trodde. Men förekomsten av skräp från meteorpåverkan som helt och hållet består av chockat glas tyder på att stishovit kan vara en kortvarig fas som kan konvertera permanent till chockglas efter stöt.

Omvända antaganden

I den senaste studien, forskarna utnyttjade instrumentet Matter in Extreme Conditions vid LCLS för att generera chockvågor som inducerade olika topptryck i kiseldioxidprover. Efter att ha skickat laserpulsen, "Vi ser bara vad kiseldioxiden gör naturligt, "sa Gleason, som är LANL Fredrick Reines postdoktor.

Analys av röntgendiffraktionsdata som tagits med olika intervall efter att topptrycket uppnåtts visade att när trycket är tillräckligt högt, stishovite former, men det återgår sedan till chockat glas. Diffraktionsdata från LCLS -proverna matchade data från slagrester som samlats in i fältet.

Forskare har tidigare antagit att topptrycket på ungefär 40 gigapascal - motsvarande 400, 000 gånger atmosfärstrycket runt oss - krävs för att skapa chockglas från kiseldioxid. Men resultaten från denna studie tyder på att tröskeln är cirka 25 procent lägre än så, och den stishoviten återgår sedan till det chockade glastillståndet på grund av termisk instabilitet snarare än högre tryck.

"En effekthändelse har en kort tidslinje, "sa Gleason, "gör LCLS till ett idealiskt instrument för att förstå den grundläggande termodynamiken hos glasögon som bildas av stötar." Gleason föreställer sig att använda MEC vid LCLS för att undersöka andra jordartiga mineraler, som fältspat, och för att bättre förstå "regelboken" för transformationsprocesser.

Gleasons forskning är mer allmänt tillämpbar på skräp från andra planeter, som meteoriter från Mars som också innehåller chockat glas. Marsmeteoriter innehåller ofta instängda flyktiga föreningar, såsom vattenånga och metan. Ingen förstår hur dessa föreningar låses inuti meteoriter eller varför de inte flyr, men fortsatt arbete på LCLS kan ge svar.