Простой эксперимент имитирует формирование планеты
Немецкие ученые придумали простой, но эффективный способ изучать рождение планет. Они сконструировали лабораторную установку, в которой вращающаяся вода имитирует поведение газа и пыли в протопланетных дисках — структурах, окружающих молодые звезды. Этот эксперимент помог проверить, как именно движутся частицы в таких дисках и что способствует образованию планет.
Команда из Университета Грайфсвальда и Института астрономии имени Макса Планка в Гейдельберге разработала прототип, который можно собрать из обычных деталей для аквариумов. В центре конструкции — прозрачный цилиндр с водоворотом. Два сопла нагнетают воду по кругу, создавая поток, похожий на движение вещества вокруг звезды. Таким образом ученые воссоздали условия, при которых формируются планеты, но в настольном масштабе.
Протопланетные диски состоят из газа и пыли. Газ закручивается вокруг звезды, а пыль слипается в комки, которые могут вырасти в тела размером с планеты. Такие процессы трудно наблюдать напрямую, поэтому ученые часто используют компьютерные модели. Но у них есть ограничения: они не всегда точно отражают поведение системы на всех масштабах. Новый водный эксперимент может частично решить эту проблему.
Главное отличие этого подхода — его масштаб и реалистичность. Как объясняет физик Штефан Кнауэр, эксперимент охватывает гораздо большую зону, чем предыдущие аналоги, и при этом лучше передает движения частиц, которые наблюдаются в реальных дисках. Водоворот, созданный в аквариуме, позволяет наглядно изучать, как пыль движется под действием потока, и как ее поведение соответствует законам Кеплера.
Именно к этим правилам ученые и обратились, проверяя точность модели. Например, они выяснили, что частицы действительно двигаются быстрее ближе к центру водоворота, что соответствует второму закону Кеплера. Также они подтвердили, что соотношение между размером орбиты и временем оборота у частиц совпадает с третьим законом. А вот эллиптические траектории из первого закона в водовороте почти не встречаются. Это ожидаемо, потому что форма потока другая. В будущем авторы планируют увеличить установку, чтобы смягчить это ограничение.
Чтобы следить за движением частиц, команда использовала легкие пластиковые шарики. Они плавали на поверхности воды и двигались под действием потока. Их траектории фиксировала высокоскоростная камера, а затем специальная программа анализировала орбиты. Результаты показали, что водоворот действительно может имитировать не только визуальную структуру, но и физику настоящих протопланетных дисков.
По словам астрофизика Марио Флока, сейчас установка остается прототипом, но уже приносит полезные результаты. Ученые надеются, что дальнейшие доработки — например, изменение формы сосуда — позволят снизить турбулентность и сделать течение более стабильным. Это даст возможность глубже исследовать поведение пыли и газа при формировании планет.
Эксперимент особенно ценен тем, что он дает живую наглядную модель, в отличие от абстрактных формул и компьютерной графики. Такой подход позволяет уточнить симуляции. А главное, так легче обучать студентов.
Самое популярное
