Образец жидкого галлия в центрифуге на лабораторном столе помог специалистам исследовать процессы, происходящие в глубинах звезд и планет.
Прямой доступ к сердцу звезды невозможен. Поэтому физики выбрали обходной путь: они попытались воспроизвести ключевые процессы в лабораторных условиях. Международная команда ученых под руководством специалистов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые экспериментально подтвердила наличие особого режима движения вещества, который должен существовать внутри быстро вращающихся звезд и планет. Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Для проведения эксперимента использовали жидкий галлий и специальную центрифугу. Выбор этого металла не был случайным: галлий плавится при температуре +29,76C° (его можно безопасно растопить даже в ладони), и в нем возникает специфический колебательный режим течения, не характерный для всех жидких металлов. В отличие от обычной конвекции, здесь движение определяется температурным градиентом внутри жидкости, а не процессами у стенок сосуда. Это дало возможность исследователям наконец добраться до режима, который десятилетиями оставался практически недоступным для лабораторной проверки.
Речь идет о так называемой бездиффузионной турбулентности. Звучит так, как будто физики специально придумали этот термин, чтобы запутать всех остальных, но суть довольно проста: при очень быстром вращении крупномасштабное движение вещества определяется главным образом текучестью и скоростью вращения, тогда как вязкость и теплопроводность становятся почти незначительными. Именно такой режим предполагают модели внутреннего устройства звезд и планет.
Три проверки — и теория не подвела
Чтобы убедиться, что поведение лабораторной жидкости действительно соответствует предсказаниям теории, исследователи сопоставили три параметра: эффективность теплопередачи, скорость движения жидкости и колебания температуры внутри нее.
Результаты оказались впечатляющими: все три показателя количественно совпали с теоретическими расчетами. Дополнительные численные симуляции также подтвердили данные эксперимента. Иными словами, теория, физический эксперимент и компьютерное моделирование впервые сошлись так четко, что исследователи получили возможность использовать эти модели для анализа недр реальных звезд и планет.
Почему это имеет значение? Конвекция внутри небесных тел отвечает за перенос тепла: горячие вещества поднимаются, а холодные опускаются. Такие движения участвуют, в частности, в формировании магнитного поля Земли и влияют на динамику звезд. Теперь у физиков есть экспериментальная основа для проверки моделей этих процессов, а не только математические расчеты.
