Водяной торнадо в лаборатории: простой эксперимент имитирует формирование планет

На фото показана верхняя часть модели водяного торнадо. Акриловый резервуар диаметром 50 сантиметров подсвечивается светодиодными лентами. Вода образует вихрь, форма поверхности которого воспроизводит профиль гравитационного поля. Анализ показал, что движение воды очень напоминает поведение протопланетных дисков. Автор: С. Шютт (Университет Грайфсвальда)

Исследователи из Университета Грайфсвальда и Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге (Германия) разработали прототип экспериментальной установки, которая с помощью водяного торнадо имитирует свойства потоков для изучения ключевых физических процессов в протопланетных дисках. Установка недорогая и проста в сборке.

Планеты формируются в дисках из газа и пыли

Аккреционные диски существуют во Вселенной в различных размерах. Их общая черта — газ вращается вокруг центрального объекта, чья гравитация влияет на окружающую материю. Часть газа постепенно движется по спирали внутрь, увеличивая массу центрального тела.

Аккреционные диски также окружают молодые звёзды. Газ смешан с микроскопическими твёрдыми частицами, которые астрономы называют пылью. Эти частицы слипаются и могут постепенно вырасти в объекты размером в тысячи километров — предшественники планет. Эти сложные процессы, включающие как упорядоченные орбиты, так и компактные вихри, происходят в широком диапазоне масштабов и их трудно наблюдать напрямую.

Аналоговый эксперимент дополняет симуляцию

Новая модель водяного торнадо может элегантно решить некоторые из этих ограничений. В отличие от предыдущих попыток создать такие аналоговые эксперименты, новый подход предлагает два ключевых преимущества. Во-первых, он позволяет имитировать широкий радиальный диапазон, тогда как ранние модели были ограничены узкими кольцевыми зонами.

«Во-вторых, движения и потоки очень напоминают те, что наблюдаются в протопланетных дисках и планетных системах», — объясняет Штефан Кнауэр из Университета Грайфсвальда.

Некоторые из фундаментальных физических принципов, управляющих планетными орбитами, были сформулированы ещё в начале XVII века Иоганном Кеплером и также применимы к газу в диске. Первые тесты показали, что эти законы в основном соблюдаются и в модели водяного торнадо.

Эти результаты, опубликованные в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, могут улучшить симуляции, раскрывая аспекты, скрытые от прямого наблюдения, и дать новое понимание. Особый интерес представляет взаимодействие частиц пыли и газа, способствующее формированию планет.

Резервуар из компонентов для аквариумов

При разработке установки было важно максимально точно воспроизвести гравитационный потенциал звезды в центре протопланетного диска. Решение этой задачи нашлось в эксперименте с простой конструкцией.

Водяной резервуар состоит из двух прозрачных акриловых цилиндров разного диаметра, расположенных один над другим. В основании нижнего 15-сантиметрового цилиндра находится центральное отверстие. Две форсунки, установленные дальше, нагнетают воду в противоположных направлениях параллельно дну резервуара. Насос — это обычное устройство для аквариумов.

Поток воды заставляет жидкость вращаться, образуя вихрь, поверхность которого простирается от дна резервуара до стенки верхнего 50-сантиметрового цилиндра. Полезная зона эксперимента начинается примерно в 3 сантиметрах от центра и простирается почти до края резервуара. Форма водяного торнадо имитирует гравитационное поле.

Водяной торнадо как модель протопланетного диска

Для анализа поведения потока на поверхности воды исследователи ввели в вихрь маленькие полипропиленовые шарики. Поскольку их плотность близка к плотности воды, шарики оставались у поверхности и увлекались вихрем. Их положение фиксировалось высокоскоростной камерой, а траектории рассчитывались компьютерным алгоритмом.

Как и ожидалось, многие орбиты не соответствовали первому закону Кеплера, согласно которому небесные тела движутся по эллиптическим траекториям. Воронкообразные установки обычно создают спиральные или незамкнутые траектории. Однако это ограничение можно уменьшить, масштабируя эксперимент. Следующая версия установки будет значительно больше.

В среднем два других закона Кеплера хорошо описывали движение частиц. Второй закон гласит, что линия, соединяющая планету с центральным телом, за равные промежутки времени заметает равные площади — это означает, что скорость орбиты максимальна ближе к центру. Орбиты в водяном торнадо демонстрировали схожее поведение, хотя и с небольшими временными колебаниями.

Третий закон Кеплера устанавливает математическую связь между периодом орбиты и её размером. Шарики в водяном торнадо также следовали этой закономерности.

Более детальный анализ показал, что гидродинамические параметры в водяном торнадо близки к типичным для протопланетных дисков. Исследователи пришли к выводу, что достаточно мелкие частицы, введённые в лабораторный вихрь, должны вести себя аналогично пылинкам в реальных дисках.

От прототипа к усовершенствованному эксперименту

Данная установка — прототип, демонстрирующий общую осуществимость и потенциал подхода для астрономических исследований.

«Текущие результаты этого аналогового эксперимента впечатляют, — говорит Марио Флок, руководитель вычислительных исследований протопланетных дисков в MPIA. — Я уверен, что с небольшими доработками мы сможем усовершенствовать модель водяного торнадо и приблизить её к научному применению. Мы надеемся, что этот эксперимент даст новые знания о процессах, происходящих на огромных расстояниях в протопланетных дисках».

Учёные надеются, что оптимизация формы резервуара уменьшит турбулентность, обеспечив более спокойную поверхность и стабильные потоки. Это позволит точнее характеризовать желаемые свойства эксперимента.

Больше информации: S Knauer et al, A tornado-based laboratory model for Keplerian flows, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (2025). DOI: 10.1093/mnrasl/slaf070

Источник: Общество Макса Планка