A poeira cósmica é a chave para a evolução química das estrelas, planetas, e a própria vida, mas sua composição não é bem compreendida, e atualmente não podemos coletar amostras para análise. Alguns exemplos chegaram à Terra como partículas de poeira interplanetária e poeira cometária, em meteoritos, mas sua história complicada significa que eles podem não ser representativos.

Nossos métodos principais de investigação das propriedades da poeira cósmica, Portanto, são observações astronômicas e experimentos de laboratório em materiais analógicos. A poeira cósmica se divide amplamente em grãos de carbono semelhantes à fuligem e os grãos de silicato refratários mais abundantes, ambos os quais são ejetados de estrelas moribundas.

As observações nos dizem que silicatos amorfos e cristalinos se formam na poeira em torno de estrelas gigantes vermelhas em proporções variáveis, mas que o meio interestelar (ISM) contém apenas silicatos amorfos. Em trabalho publicado recentemente em Astronomia e Astrofísica , uma equipe de pesquisadores de diamantes liderada pelo Dr. Stephen Thompson demonstrou que a secagem por micro-ondas pode ser usada para produzir silicatos de Mg-Fe amorfos de maneira fácil e barata. Eles então investigaram sua cristalização por recozimento térmico in situ e consideraram os resultados no contexto da modelagem de grãos de poeira em discos protoplanetários.

A poeira é a primeira matéria sólida formada, e investigar a poeira cósmica é um campo muito ativo na astrofísica. Não podemos replicar as condições de formação da poeira cósmica aqui na Terra com exatidão, e nenhum método único de produção de amostras analógicas de poeira em laboratório pode simular toda a poeira que observamos ao redor das estrelas e no meio interestelar. Contudo, criando e caracterizando essas amostras, e compará-los com dados astronômicos para ver onde são semelhantes, e onde eles diferem, aumentamos nossa compreensão da formação, composição e evolução de suas contrapartes cósmicas

O processo sol-gel é um método químico usado para produzir materiais sólidos a partir de pequenas moléculas. Os sol-géis têm consistência semelhante a creme para as mãos e devem ser secos para formar as amostras de poeira. A secagem ao ar leva cerca de 24 horas e é demorada para pesquisadores que desejam produzir várias amostras.

Outro aspecto desafiador da produção de amostras analógicas de poeira é a inclusão de ferro, que - na Terra - tende a formar ferrugem (óxidos de ferro) que não é vista no espaço. Embora vejamos evidências de ferro em estrelas e planetas, não o vemos no meio interestelar. Este é o problema do 'ferro faltando', e uma possível explicação é que o ferro está presente em nanopartículas muito pequenas para ver. Outra é que o ferro está "preso" em minerais de silicato, em quantidades muito baixas (menos de 10%) para afetar as propriedades espectrais da poeira.

O uso de sol-gel para incorporar ferro na estrutura do silicato requer condições especiais de secagem e o Dr. Thompson e sua equipe já haviam desenvolvido um processo de secagem a vácuo. No entanto, isso levou vários dias para ser concluído do início ao fim.

Os pesquisadores, Portanto, investigou se eles poderiam acelerar a produção de amostras analógicas, e produzir pó de silicato contendo ferro, usando um forno de micro-ondas pronto para uso.

A equipe de pesquisa géis secos em micro-ondas com e sem ferro, e investigou suas propriedades usando difração de pó de raios-X e espalhamento total de raios-X na linha de luz I11, espalhamento de raios-X de pequeno ângulo em I22, e espectroscopia de infravermelho médio FTIR. Eles compararam as amostras secas por microondas com amostras produzidas a partir do mesmo gel, mas seco convencionalmente, usando forno convencional e forno a vácuo.

Muito do trabalho experimental foi realizado por Anna Herlihy durante seu estágio de Year in Industry na Diamond. Anna estava se formando na St. Andrews University e veio para Diamond para investigar a produção de nanopartículas amorfas. A pesquisa da poeira cósmica surgiu de seu trabalho, e - inspirada por sua experiência - Anna concluiu seu diploma e agora está estudando para o doutorado. na Warwick University.

Os resultados demonstram que este é um excelente, rápido, método fácil e barato para a produção de amostras analógicas de poeira. A equipe espera que seja adotado por físicos de laboratório em outros lugares, mas também pode ter aplicações industriais, por exemplo. como meio de produção de materiais nanoestruturados.

A próxima etapa desta pesquisa foi investigar o que acontece com as amostras amorfas quando são aquecidas. As observações mostram que estrelas velhas ejetam minerais de silicato amorfo. Uma vez no meio interestelar, estes eventualmente acabam em regiões de formação de estrelas e se acumulam em discos protoplanetários, discos giratórios de gás denso e poeira em torno de estrelas jovens. No disco, os grãos de poeira aquecem, e, eventualmente, cristalizam em minerais reconhecíveis. Os discos protoplanetários representam, portanto, o estágio evolutivo entre o nascimento das estrelas e a formação do planeta. Sabemos que o disco está mais quente perto da estrela, e assim, compreender a temperatura em que esses minerais se cristalizam pode nos dizer onde eles estariam no disco, e quanto tempo eles estiveram lá.

Os pesquisadores descobriram que adicionar até mesmo uma pequena quantidade de ferro aos minerais de silicato aumentava drasticamente a temperatura na qual eles se cristalizavam. Tanto faz, na verdade, que ao longo da maior parte do disco quaisquer silicatos contendo ferro permaneceriam amorfos, coincidindo com as observações dos astrônomos de que a maioria dos minerais ricos em magnésio estão presentes. A equipe Diamond também encontrou pequenas quantidades de cristobalita (um SiO de alta temperatura ₂ mineral) formado nos silicatos isentos de ferro. Da mesma forma, pequenas quantidades de SiO ₂ também são observados em discos protoplanetários e, crucialmente, também foram encontrados nos primeiros materiais cometários do sistema solar recuperados pela missão de retorno de amostra STARDUST. Sendo os primeiros objetos planetesimais a se formarem no sistema solar, cometas há muito tempo são considerados como repositórios de materiais que sobraram da formação do nosso próprio sistema solar, um processo que teria começado no disco protoplanetário do Sol.

Para a equipe Diamond, esta pesquisa é apenas o começo. Eles continuarão explorando seu novo método de microondas, usando-o para produzir amostras de poeira com composições diferentes. Cada amostra nos deixa um passo mais perto de compreender mais sobre a poeira cósmica e como os sistemas planetários se formam. Quem poderia imaginar que um micro-ondas na cozinha poderia ajudar com isso?