Una collaborazione tra l'Università di Nagoya e la TU Braunschweig trova prove che quando i proiettili colpiscono ammassi morbidi di polvere o ammassi duri di perle di vetro sfuse, le leggi di scala per la dissipazione di energia e il trasferimento di energia sono le stesse in ogni caso. Questo aiuta a capire come i grumi granulari si attaccano insieme, e come si formano i pianeti.

I grappoli granulari sono fenomeni comuni:mentre si prepara una torta in cucina, la farina forma dei grumi. Agglomerati di polvere porosa, che sono mucchi di mucchi di granelli di polvere, sono considerati materiali da costruzione nella formazione dei pianeti. Ma per rivelare come si formano i pianeti, il comportamento fisico di questi cumuli di polvere deve essere adeguatamente compreso. In particolare, la loro risposta quando vengono colpiti da proiettili è fondamentale perché le condizioni che causano l'adesione indotta dall'impatto, rimbalzare, fratturazione, e così via, deve essere conosciuto per stabilire un modello plausibile di formazione planetaria. Poiché gli agglomerati di polvere porosa possono essere considerati come materia granulare, le proprietà fisiche di base della materia granulare sono cruciali per la costruzione del modello. Un approccio all'apprendimento delle dinamiche di impatto granulare relative al processo di formazione planetaria è l'osservazione diretta, ovvero realizzare esperimenti sulla Terra che simulano l'ambiente spaziale.

Hiroaki Katsuragi, un esperto di fisica granulare dell'Università di Nagoya, e Jürgen Blum della Technische Universität Braunschweig hanno fatto proprio questo. Blum ha costruito una torre di caduta in cui si ottengono condizioni di microgravità e vuoto per imitare l'ambiente nello spazio (Figura 1, sinistra). Hanno sparato plastica, proiettili di piombo e vetro di varie dimensioni a mucchi di polvere morbidi e fragili, così come a piede libero, densi ciuffi di perle di vetro relativamente rigide. Il team ha quindi analizzato attentamente l'espansione indotta dall'impatto (Figura 1, a destra) e ha trovato prove per il trasferimento di energia universale e le leggi di scala della dissipazione. Inoltre, il team ha scoperto che le leggi di scaling sono applicabili non solo agli ammassi di agglomerati porosi ma anche ai densi ammassi di perline di vetro.

Katsuragi, spiega:"Il risultato è utile per comprendere a fondo il processo di formazione dei pianeti. Allo stesso tempo, siamo sorpresi dall'accordo delle dinamiche di espansione tra cluster porosi (fragili) e cluster densi (rigidi). In realtà, i grappoli porosi sono costituiti da minuscoli granelli di polvere ammassati insieme, e questi ammassi di molte dimensioni sono essi stessi raggruppati insieme. Abbiamo scoperto che questo tipo di struttura gerarchica non influisce sulle dinamiche indotte dall'impatto".

Questo studio collega la fisica della formazione planetaria e la formazione di grumi attraverso l'esperimento di microgravità. La torre di caduta utilizzata nello studio è unica in quanto gli esperimenti di impatto di breve durata possono essere facilmente ripetuti a basso costo. Anche il team di collaborazione interdisciplinare è unico. Hiroaki Katsuragi è un fisico granulare e Jürgen Blum è un fisico planetario ed entrambi condividono l'obiettivo comune di comprendere l'impatto della materia granulare porosa e densa.

Katsuragi dice, "Conosciamo tutti i grumi di polvere:si formano ogni volta che facciamo una torta con la farina. Tuttavia, la fisica dei ciuffi, della materia granulare gerarchica, non è stata finora studiata bene. Questo studio potrebbe aprire una nuova direzione di ricerca nella fisica della materia granulare".