Ученые создали доступную и простую в сборке экспериментальную установку, позволяющую моделировать процессы, происходящие в протопланетных дисках — структурах из газа и пыли, окружающих молодые звезды.
Протопланетные диски служат местом рождения планет, в которых из микроскопических частиц постепенно формируются небесные тела, достигающие величины в тысячи километров. Наблюдать за такими процессами сложно из-за их масштабов и длительности, а 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.
Разработанная специалистами из Университета Грайфсвальда и Института астрономии общества Макса Планка в Гейдельберге установка представляет собой водоворот в цилиндрическом резервуаре, создаваемый с использованием стандартного аквариумного оборудования. Конструкция состоит из двух акриловых цилиндров различного диаметра, установленных друг над другом, с центральным сливом и двумя подаваемыми по дну встречными струями воды. В результате формируется устойчивый вихрь, напоминающий торнадо, форма которого имитирует гравитационное поле, действующее в протопланетном диске. Для наблюдения за поведением частиц в воду добавлены полипропиленовые бусины, плотность которых близка к плотности воды, что позволяет им оставаться на поверхности и свободно перемещаться в потоке. Движение этих бусин фиксировалось с помощью высокоскоростной камеры, а траектории анализировались с использованием специального алгоритма.
Исследование показало, что несмотря на отклонения от первого закона Кеплера, предсказывающего эллиптические орбиты, остальные два его закона — о равных площадях, описываемых радиус-вектором за равные временные промежутки, и связи между размером орбиты и ее периодом — в установке выполнялись. Это свидетельствует о том, что поведение частиц в водовороте действительно отражает основные механизмы движения вещества вблизи молодой звезды. Особенно важно, что гидродинамические параметры, достигнутые в эксперименте, сопоставимы с условиями, характерными для реальных протопланетных дисков, включая взаимодействие газа и пылевых частиц — ключевой этап формирования планет.
Хотя установка на данный момент существует только в виде прототипа, результаты ее работы уже вдохновляют ученых на дальнейшее развитие. Специалисты планируют расширить 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. Участники проекта считают, что аналоговые эксперименты подобного рода могут эффективно дополнять цифровые модели и раскрывать новые аспекты процессов, лежащих в основе формирования планетарных систем.
Фото: hi-tech.mail.ru