Водяной торнадо в лаборатории: простой эксперимент имитирует формирование планет

Исследователи из Университета Грайфсвальда и Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге (оба в Германии) разработали прототип экспериментальной установки, которая имитирует свойства потоков с помощью водяного торнадо. Это позволяет изучить ключевые физические процессы в протопланетных дисках. Установка недорогая и простая в изготовлении.

Аккреционные диски

Аккреционные диски существуют во Вселенной в различных размерах. Их общая черта — газ, вращающийся вокруг центрального объекта, гравитация которого влияет на окружающую материю. Часть газа постепенно движется по спирали внутрь, увеличивая массу центрального тела.

Аккреционные диски также окружают молодые звёзды. Газ смешан с микроскопическими твёрдыми частицами, которые астрономы называют пылью. Эти частицы слипаются и могут постепенно расти до размеров тысяч километров — предшественников планет.

Моделирование процессов

Исследователи часто прибегают к моделированию, чтобы воспроизвести процессы, используя математические формулировки физических законов. Однако таким моделям сложно охватить все соответствующие масштабы в течение длительных периодов. Результаты моделирования необходимо сравнивать с наблюдениями, поскольку вычислительные артефакты могут исказить результаты.

Новая модель водяного торнадо

Недавно разработанная модель водяного торнадо может предоставить элегантный способ решения некоторых из этих ограничений. В отличие от предыдущих попыток создания подобных аналоговых экспериментов, новый подход предлагает два ключевых преимущества. Во-первых, он позволяет моделировать широкий радиальный диапазон, тогда как предыдущие модели были ограничены узкими кольцеобразными зонами.

«Во-вторых, движения и потоки близко напоминают те, что наблюдаются в дисках формирования планет и планетарных системах», — объясняет Стефан Кнауэр из Университета Грайфсвальда. Некоторые фундаментальные физические принципы, управляющие планетарными орбитами, были сформулированы в начале XVII века Иоганном Кеплером и также применимы к газу в диске. Начальные тесты показали, что эти законы в значительной степени справедливы и для модели водяного торнадо.

Результаты и перспективы

Эти результаты, опубликованные в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, могут улучшить моделирование, рассматривая аспекты, которые остаются скрытыми от прямого наблюдения, и предоставить новое понимание. Одна из областей, представляющих особый интерес, — это взаимодействие частиц пыли и газа друг с другом, способствующее формированию планет.

При проектировании экспериментальной установки было важно как можно точнее воспроизвести гравитационный потенциал звезды в центре протопланетного диска. Эксперимент с простой конструкцией предоставил решение этой задачи.

Описание экспериментальной установки

Водяной контейнер состоит из двух прозрачных акриловых цилиндров разного диаметра, расположенных один над другим. У основания нижнего цилиндра шириной 15 сантиметров находится центральный выход. Два сопла, установленные дальше, перекачивают воду в противоположных направлениях параллельно дну резервуара. Насос — это коммерчески доступное аквариумное устройство.

Поток воды заставляет жидкость вращаться, образуя вихрь, поверхность которого простирается от дна резервуара до стенки верхнего цилиндра шириной 50 сантиметров. Полезная экспериментальная зона начинается примерно в 3 сантиметрах от центра и простирается почти до края резервуара. Форма водяного торнадо соответствует требуемому свойству имитации гравитационного поля.

Для анализа поведения потока на поверхности воды исследовательская группа ввела в вихрь небольшие полипропиленовые шарики. Поскольку этот материал имеет плотность, близкую к воде, шарики оставались у поверхности и переносились вращательным движением. Их положения были зафиксированы с помощью высокоскоростной камеры, а компьютерный алгоритм использовался для расчёта их траекторий.

Как и ожидалось, многие орбиты не соответствовали первому закону Кеплера, который гласит, что небесные объекты движутся по эллиптическим орбитам. Воронкообразные экспериментальные установки обычно дают спиральные или незамкнутые траектории. Это ограничение, однако, можно смягчить, соответствующим образом масштабируя экспериментальную установку. Следующая версия эксперимента будет значительно больше.

В среднем, однако, два других закона Кеплера, по-видимому, хорошо описывают движение частиц. Второй закон гласит, что линия, соединяющая планету с центральным телом, за равные промежутки времени проходит равные площади — это означает, что орбитальная скорость максимальна вблизи центрального объекта. Орбиты водяного торнадо демонстрировали аналогичное поведение, хотя и с небольшими временными колебаниями.

Третий закон Кеплера устанавливает математическую зависимость между периодом обращения и размером орбиты. Шарики в водяном торнадо также точно соответствовали этому шаблону.

Более детальный анализ также показал, что гидродинамические параметры в водяном торнадо близко соответствуют тем, что обычно встречаются в протопланетных дисках. Исследователи пришли к выводу, что достаточно мелкие частицы, введённые в лабораторный вихрь, должны вести себя аналогично пылевым зёрнам в реальных условиях диска.

Описанная здесь установка является прототипом, предназначенным для демонстрации общей осуществимости и потенциала этого подхода для астрономических исследований.

«Текущие результаты этого аналогового эксперимента впечатляют», — говорит Марио Флок, который руководит вычислительными исследованиями дисков формирования планет в MPIA. «Я уверен, что с небольшими модификациями мы сможем усовершенствовать модель водяного торнадо и приблизить её к научному применению. Мы надеемся, что этот новый аналоговый эксперимент даст представление о том, как процессы разворачиваются на огромных расстояниях в дисках формирования планет».

Учёные надеются, что, оптимизировав форму контейнера, они смогут уменьшить турбулентность, что приведёт к более спокойной поверхности и более стабильным потокам. Это позволит более точно охарактеризовать желаемые свойства эксперимента.

Предоставлено Обществом Макса Планка.

Источник

Оставьте комментарий