Водяной торнадо в лаборатории: простой эксперимент показал, как рождаются планеты
Протопланетные диски являются колыбелью планет, в них из микроскопических частиц постепенно формируются небесные тела, достигающие размеров тысяч километров. За такими процессами сложно наблюдать из-за масштабов и длительности событий, а из цифровая симуляция не всегда способна охватить все физические детали. Поэтому ученые все чаще обращаются к аналоговым экспериментам — физическим моделям, которые воспроизводят ключевые элементы исследуемых явлений.
Созданная специалистами из Университета Грайфсвальда и Института астрономии общества Макса Планка в Гейдельберге установка представляет собой водоворот в цилиндрическом резервуаре, который создается при помощи обычного аквариумного оборудования. Конструкция включает два акриловых цилиндра разного диаметра, расположенных друг над другом, с центральным сливом и двумя подаваемыми по дну встречными струями воды. В результате получается устойчивый вихрь, напоминающий торнадо, форма которого имитирует гравитационное поле, действующее в протопланетном диске. Чтобы проследить поведение частиц, в воду добавили полипропиленовые бусины, плотность которых близка к плотности воды, что позволило им оставаться на поверхности и свободно перемещаться в потоке. Движение этих бусин фиксировалось высокоскоростной камерой, а траектории анализировались с помощью специального алгоритма.
Анализ показал, что несмотря на отклонения от первого закона Кеплера, который предсказывает эллиптические орбиты, другие два его закона — о равных площадях, описываемых радиус-вектором за равные промежутки времени, и связи между размером орбиты и ее периодом — в установке выполнялись. Это указывает на то, что поведение частиц в водовороте действительно отражает основные механизмы движения вещества в окрестностях молодой звезды. Особенно важно то, что гидродинамические параметры, которых ученым удалось достичь в эксперименте, сопоставимы с условиями, характерными для реальных протопланетных дисков, включая взаимодействие газа и пылевых частиц — ключевой этап на пути к образованию планет.
Хотя установка пока существует лишь в виде прототипа, результаты ее работы уже вдохновляют ученых на дальнейшее развитие. Специалисты собираются масштабировать свой эксперимент, чтобы устранить наблюдаемые ограничения и повысить точность моделирования. В частности, ученые хотят добиться более стабильных потоков и спокойной поверхности за счет оптимизации формы резервуара и снижения турбулентности в нем, что позволит еще точнее воспроизводить поведение пылевых частиц в реальных астрофизических условиях. По мнению участников проекта, аналоговые эксперименты подобного рода могут эффективно дополнять цифровые модели и раскрывать новые аспекты процессов, которые лежат в основе формирования планетарных систем.
