Tornado air di laboratorium: percobaan sederhana mensimulasikan pembentukan planet

Eksperimen laboratorium baru menggunakan vortex air untuk menyelidiki bagaimana planet terbentuk dari material dalam disk protoplanet gas dan debu

To the point

• Model laboratorium sederhana untuk aliran kosmik dikembangkan: Tornado air memungkinkan simulasi realistis dari dinamika gas dan debu dalam cakram pembentuk planet.
• Hukum Kepler-S dikonfirmasi dalam tangki air: Orbit partikel mengambang mengikuti aturan fisik yang sama dengan benda langit di medan gravitasi.
• Potensi percobaan pada pembentukan planet: Pengaturan yang hemat biaya dan serbaguna membuka cara baru untuk mempelajari interaksi antara debu dan gas dalam kondisi laboratorium.

Para peneliti dari University of Greifswald dan Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg (keduanya di Jerman) telah mengembangkan pengaturan eksperimental prototipe yang mensimulasikan sifat aliran dalam cakram akresi menggunakan tornado air. Pengaturan ini tidak mahal dan mudah dibangun.

Planet terbentuk di dalam cakram gas dan debu

Disk pertambahan ada di seluruh alam semesta dalam berbagai ukuran. Fitur umum adalah bahwa gas mengorbit objek sentral yang gravitasinya mempengaruhi materi di sekitarnya. Beberapa gas secara bertahap berputar ke dalam, meningkatkan massa tubuh pusat.

Disk akresi juga mengelilingi bintang -bintang muda. Gas dicampur dengan partikel padat mikroskopis, yang oleh para astronom disebut debu. Partikel -partikel ini tetap bersatu dan secara bertahap dapat tumbuh menjadi objek dalam ukuran ribuan kilometer – prekursor planet. Proses kompleks ini, yang mencakup orbit tertib dan vortisitas kompak, terjadi di berbagai skala dan sulit untuk diamati secara langsung.

Oleh karena itu para peneliti sering beralih ke simulasi untuk mereproduksi proses menggunakan formulasi matematika hukum fisik. Namun, sangat menantang simulasi semacam itu untuk menangkap semua skala yang relevan selama periode yang lama. Selain itu, hasil simulasi harus dibandingkan dengan pengamatan, karena artefak komputasi dapat mengubah hasilnya.

Eksperimen analog melengkapi simulasi

Model tornado air yang baru dikembangkan dapat memberikan cara yang elegan untuk mengatasi beberapa batasan ini. Berbeda dengan upaya sebelumnya untuk membuat eksperimen analog seperti itu, pendekatan baru ini menawarkan dua keunggulan utama. Pertama, memungkinkan rentang radial yang luas disimulasikan, sedangkan model sebelumnya terbatas pada zona sempit berbentuk cincin.

-Sekondasi, gerakan dan aliran sangat mirip dengan yang diamati dalam cakram pembentuk planet dan sistem planet,-menjelaskan Stefan Knauer dari University of Greifswald. Beberapa prinsip fisik fundamental yang mengatur orbit planet diformulasikan pada awal abad ke -17 oleh Johannes Kepler dan juga berlaku untuk gas dalam cakram. Tes awal telah menunjukkan bahwa undang -undang ini sebagian besar berlaku di model tornado air juga.

Temuan ini dapat meningkatkan simulasi dengan mengatasi aspek yang tetap tersembunyi dari pengamatan langsung dan memberikan pemahaman baru. Salah satu bidang yang menarik adalah bagaimana partikel dan gas debu berinteraksi satu sama lain dengan cara yang mempromosikan pembentukan planet.

Kami berharap percobaan analog baru ini akan menawarkan wawasan tentang bagaimana proses terungkap di jarak yang luas dalam cakram pembentuk planet.

Tangki air menggunakan komponen akuarium

Saat merancang pengaturan eksperimental, sangat penting untuk mereplikasi potensi gravitasi bintang di tengah cakram protoplanet seakurat mungkin. Eksperimen dengan desain sederhana memberikan solusi untuk tugas ini.

Wadah air terdiri dari dua silinder kaca akrilik transparan dengan diameter yang berbeda, ditempatkan satu di atas yang lain. Di dasar silinder selebar 15 sentimeter adalah outlet sentral. Dua nozel dipasang lebih jauh ke air pompa ke arah yang berlawanan, sejajar dengan lantai tangki. Pompa adalah perangkat akuarium yang tersedia secara komersial.

Aliran air menyebabkan cairan berputar, membentuk pusaran yang permukaannya memanjang dari bagian bawah tangki ke dinding silinder atas, selebar 50 sentimeter. Zona eksperimental yang dapat digunakan dimulai sekitar 3 sentimeter dari pusat dan memanjang hampir ke tepi tangki. Bentuk tornado air memenuhi properti yang diperlukan untuk meniru medan gravitasi.

Tornado air meniru cakram protoplanet

Untuk menganalisis perilaku aliran di permukaan air, tim peneliti memperkenalkan manik-manik polypropylene kecil ke dalam pusaran. Karena bahan ini memiliki kepadatan yang mirip dengan air, manik -manik tetap di dekat permukaan dan dibawa dengan gerakan yang berputar -putar. Posisi mereka direkam menggunakan kamera berkecepatan tinggi, dan algoritma komputer digunakan untuk menghitung lintasan mereka.

Seperti yang diharapkan, banyak orbit tidak sesuai dengan hukum pertama Kepler-S, yang menyatakan bahwa objek surgawi mengikuti jalur elips. Pengaturan eksperimental berbentuk corong umumnya cenderung menghasilkan lintasan spiral atau non-tertutup. Keterbatasan ini, bagaimanapun, dapat dikurangi dengan menskalakan desain eksperimental secara tepat. Oleh karena itu, versi berikutnya dari percobaan akan secara signifikan lebih besar.

Rata-rata, bagaimanapun, dua undang-undang Kepler-S lainnya tampaknya menggambarkan partikel-partikel dengan baik. Hukum kedua menyatakan bahwa garis yang menghubungkan planet ke badan pusat menyapu area yang sama dalam interval waktu yang sama – menyiratkan bahwa kecepatan orbital tertinggi di dekat objek pusat. Orbit tornado air menunjukkan perilaku yang sama, meskipun dengan fluktuasi temporal kecil.

Hukum ketiga Kepler-S menetapkan hubungan matematika antara periode orbital dan ukuran orbital. Manik -manik di tornado air juga cocok dengan pola ini.

Analisis yang lebih rinci juga menunjukkan bahwa parameter hidrodinamik dalam tornado air sangat cocok dengan yang biasanya ditemukan dalam cakram protoplanet. Para peneliti menyimpulkan bahwa partikel -partikel kecil yang cukup diperkenalkan ke dalam laboratorium pusaran harus berperilaku dengan cara yang mirip dengan butiran debu di lingkungan cakram nyata.

Dari prototipe ke percobaan halus

Pengaturan yang dijelaskan di sini adalah prototipe, yang dimaksudkan untuk menunjukkan kelayakan umum dan potensi pendekatan ini untuk penelitian astronomi.

-Hasil saat ini dari percobaan analog ini sangat mengesankan,-kata Mario Flock, yang memimpin studi komputasi cakram pembentuk planet di Max Planck Institute for Astronomy. -Aku yakin bahwa, dengan beberapa modifikasi, kita dapat memperbaiki model tornado air dan membawanya lebih dekat ke aplikasi ilmiah.-

Para ilmuwan berharap bahwa dengan mengoptimalkan bentuk wadah, mereka dapat mengurangi turbulensi, yang mengarah ke permukaan yang lebih tenang dan aliran yang lebih stabil. Ini akan memungkinkan karakterisasi yang lebih tepat dari properti yang diinginkan eksperimen.

Informasi latar belakang

Selain peneliti MPIA Mario Flock, kontributor penelitian ini termasuk Stefan Knauer, Stefan Schütt, Floris Scharmer, Sebastian Haag, Nils Fahrenkamp, Andre Melzer, Daniel Siegel, dan Peter Manz (semuanya di Universitas Greifswald)).

Mario Flock mengepalai sebuah kelompok penelitian di departemen Planet and Star Formation (PSF) di MPIA dan baru -baru ini dianugerahi hibah konsolidator bergengsi dari Dewan Penelitian Eropa (ERC), senilai ¤2,13 juta. Proyek yang didanai, berjudul Raptor – mengungkapkan planet -planet yang bertambah melalui pengamatan dan simulasi yang disempurnakan, teori jembatan dan pengamatan dalam studi pembentukan sistem planet.

Eksperimen tornado air adalah bagian dari proyek Swadex, yang dilakukan di Institute of Physics, University of Greifswald.