Водный торнадо в лаборатории: Простой эксперимент моделирует формирование планет

Учёные из Университета Грайфсвальда и Института астрономии Макса Планка (Германия) создали прототип установки, которая с помощью водного торнадо моделирует процессы в протопланетных дисках. Эксперимент отличается простотой и невысокой стоимостью компонентов.

Планеты рождаются в газопылевых дисках

Аккреционные диски разных масштабов встречаются по всей Вселенной. Их объединяет общая черта: газ вращается вокруг центрального объекта, чья гравитация влияет на окружающее вещество. Часть газа постепенно смещается внутрь, увеличивая массу центрального тела.

Молодые звёзды также окружены аккреционными дисками, где газ смешан с микроскопическими твёрдыми частицами. Эти частицы слипаются, формируя объекты размером в тысячи километров — «зародыши» будущих планет. Сложные процессы, включающие упорядоченное вращение и турбулентные вихри, охватывают огромные пространства и плохо поддаются прямым наблюдениям.

Лабораторная модель дополняет компьютерные расчёты

Новая водная модель предлагает альтернативу традиционным симуляциям. В отличие от предыдущих аналоговых экспериментов, эта установка обладает двумя ключевыми преимуществами:

• Охватывает широкий радиальный диапазон (ранние модели ограничивались узкими кольцевыми зонами);
• Движение жидкости точно воспроизводит процессы в протопланетных дисках.

«Основные принципы, сформулированные Кеплером для планетных орбит, работают и в нашей водной модели», — отмечает Стефан Кнауэр из Университета Грайфсвальда. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

Аквариумные технологии для астрофизики

Сердце установки — два прозрачных акриловых цилиндра разного диаметра. В нижнем (15 см) расположен центральный слив и две сопла, создающие встречные потоки воды. Обычная аквариумная помпа приводит жидкость в движение, формируя вихрь высотой до краёв верхнего 50-сантиметрового цилиндра.

Как вода имитирует космос

Для анализа движения на поверхность вихря добавили полипропиленовые гранулы, плотность которых близка к воде. Высокоскоростная съёмка и алгоритмы трекинга позволили реконструировать их траектории.

Открытия:

• Орбиты частиц в основном соответствуют второму и третьему законам Кеплера;
• Гидродинамические параметры совпали с характеристиками реальных протопланетных дисков;
• Мелкие частицы в эксперименте ведут себя аналогично космической пыли.

От прототипа к точным измерениям

Нынешняя установка — лишь первый шаг. «Сейчас мы работаем над увеличением масштабов эксперимента и снижением турбулентности», — делится планами Марио Флок из MPIA. Учёные рассчитывают, что усовершенствованная модель позволит изучать:

• Механизмы слипания космической пыли;
• Динамику газопылевых взаимодействий;
• Процессы формирования планетарных зародышей.