La poussière cosmique est la clé de l'évolution chimique des étoiles, planètes, et la vie elle-même, mais sa composition n'est pas bien comprise, et nous ne pouvons actuellement pas collecter d'échantillons pour analyse. Quelques exemples sont arrivés sur Terre sous forme de particules de poussière interplanétaires et de poussière de comète, dans les météorites, mais leur histoire compliquée signifie qu'ils peuvent ne pas être représentatifs.

Nos principales méthodes d'étude des propriétés de la poussière cosmique, donc, sont des observations astronomiques et des expériences de laboratoire sur des matériaux analogues. La poussière cosmique se divise largement en grains de carbone ressemblant à de la suie et en grains de silicate réfractaire plus abondants, qui sont tous deux éjectés des étoiles mourantes.

Les observations nous disent que des silicates amorphes et cristallins se forment dans la poussière autour des étoiles géantes rouges dans des proportions variables, mais que le milieu interstellaire (ISM) ne contient que des silicates amorphes. Dans un ouvrage récemment publié dans Astronomie &Astrophysique , une équipe de chercheurs de Diamond dirigée par le Dr Stephen Thompson a démontré que le séchage par micro-ondes peut être utilisé pour produire facilement et à moindre coût des silicates amorphes de Mg-Fe. Ils ont ensuite étudié leur cristallisation par recuit thermique in situ et considéré les résultats dans le cadre de la modélisation des grains de poussière dans les disques protoplanétaires.

La poussière est la première matière solide formée, et l'étude de la poussière cosmique est un domaine très actif en astrophysique. Nous ne pouvons pas reproduire exactement les conditions de formation de la poussière cosmique ici sur Terre, et aucune méthode unique de production d'échantillons de poussière analogiques en laboratoire ne peut simuler toute la poussière que nous observons autour des étoiles et dans le milieu interstellaire. Cependant, en créant et caractérisant ces échantillons, et en les comparant aux données astronomiques pour voir où ils sont similaires, et où ils diffèrent, nous augmentons notre compréhension de la formation, composition et évolution de leurs homologues cosmiques

Le procédé sol-gel est une méthode chimique utilisée pour produire des matériaux solides à partir de petites molécules. Les sol-gels ont une consistance similaire à la crème pour les mains et doivent être séchés pour former les échantillons de poussière. Le séchage à l'air prend environ 24 heures et prend beaucoup de temps pour les chercheurs qui souhaitent produire plusieurs échantillons.

Un autre aspect difficile de la production d'échantillons de poussière analogiques est l'inclusion de fer, qui, sur Terre, a tendance à former de la rouille (oxydes de fer) que l'on ne voit pas dans l'espace. Bien que nous voyions des preuves de fer dans les étoiles et les planètes, nous ne le voyons pas dans le milieu interstellaire. C'est le problème du "fer manquant", et une explication possible est que le fer étant présent dans des nanoparticules trop petites pour être vues. Une autre est que le fer est « enfermé » dans les minéraux de silicate, en quantités trop faibles (moins de 10 %) pour affecter les propriétés spectrales de la poussière.

L'utilisation de sol-gel pour incorporer le fer dans la structure du silicate nécessite des conditions de séchage spéciales et le Dr Thompson et son équipe avaient déjà développé un procédé de séchage sous vide. Cependant, cela a pris plusieurs jours pour terminer du début à la fin.

Les chercheurs, donc, étudié s'ils pouvaient accélérer la production d'échantillons analogiques, et produire de la poussière de silicate ferrugineuse, à l'aide d'un four à micro-ondes standard.

L'équipe de recherche des gels séchés au micro-ondes avec et sans fer, et étudié leurs propriétés en utilisant la diffraction des rayons X sur poudre et la diffusion totale des rayons X sur la ligne de lumière I11, diffusion des rayons X aux petits angles sur I22, et la spectroscopie FTIR mid-IR. Ils ont comparé les échantillons séchés aux micro-ondes à des échantillons produits à partir du même gel, mais séché de manière conventionnelle, en utilisant un four conventionnel à air et un four sous vide.

Une grande partie du travail expérimental a été réalisée par Anna Herlihy pendant son stage d'une année dans l'industrie chez Diamond. Anna était au milieu d'un diplôme à l'Université de St. Andrews et est venue à Diamond pour étudier la production de nanoparticules amorphes. La recherche sur la poussière cosmique est née de son travail, et, inspirée par son expérience, Anna a obtenu son diplôme et étudie maintenant pour un doctorat. à l'université de Warwick.

Les résultats montrent qu'il s'agit d'un excellent rapide, méthode simple et bon marché pour produire des échantillons de poussière analogiques. L'équipe espère qu'il sera adopté par des physiciens de laboratoire ailleurs, mais il pourrait aussi avoir des applications industrielles, par exemple. comme moyen de produire des matériaux nanostructurés.

L'étape suivante de cette recherche consistait à étudier ce qui arrive aux échantillons amorphes lorsqu'ils sont chauffés. Les observations montrent que les vieilles étoiles éjectent des minéraux silicatés amorphes. Une fois dans le milieu interstellaire, ceux-ci finissent par se retrouver dans des régions de formation d'étoiles et s'accumulent dans des disques protoplanétaires, disques en rotation de gaz dense et de poussière autour de jeunes étoiles. Dans le disque, les grains de poussière se réchauffent, et finalement cristalliser en minéraux reconnaissables. Les disques protoplanétaires représentent ainsi l'étape évolutive entre la naissance des étoiles et la formation des planètes. On sait que le disque est plus chaud plus près de l'étoile, et ainsi comprendre la température à laquelle ces minéraux cristallisent peut nous dire où ils seraient dans le disque, et combien de temps ils étaient là.

Les chercheurs ont découvert que l'ajout même d'une petite quantité de fer aux minéraux de silicate augmentait considérablement la température à laquelle ils se cristallisaient. Tellement, En réalité, que dans la majeure partie du disque, tous les silicates ferreux resteraient amorphes, correspondant aux observations des astronomes selon lesquelles la plupart des minéraux riches en magnésium sont présents. L'équipe Diamond a également trouvé de petites quantités de cristobalite (un SiO à haute température 2 minéral) formé dans les silicates sans fer. De même de petites quantités de SiO 2 sont également observés dans les disques protoplanétaires et, de manière cruciale, ont également été trouvés dans les premiers matériaux cométaires du système solaire récupérés par la mission de retour d'échantillons STARDUST. Étant les premiers objets planétésimaux à s'être formés dans le système solaire, les comètes ont longtemps été considérées comme des dépositaires de matériaux issus de la formation de notre propre système solaire, un processus qui aurait commencé dans le disque protoplanétaire du Soleil.

Pour l'équipe Diamant, cette recherche n'est qu'un début. Ils continueront à explorer leur nouvelle méthode de micro-ondes, l'utiliser pour produire des échantillons de poussière avec différentes compositions. Chaque échantillon nous rapproche un peu plus de la compréhension de la poussière cosmique et de la formation des systèmes planétaires. Qui aurait deviné qu'un micro-ondes de cuisine pourrait aider avec ça?