|
Течения внутри быстро вращающихся звезд и планет
|
|
|
|
Поскольку мы не можем заглянуть внутрь звезд и планет, мы полагаемся на лабораторные эксперименты, позволяющие воспроизвести происходящие там физические процессы. Международная исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) впервые экспериментально подтвердила существование теоретически предсказанного режима течения, который считается характерным для недр быстро вращающихся небесных тел. В исследовании, результаты которого были опубликованы в журнале Physical Review Letters, также принял участие Центр имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR). Полученные результаты создают надежную экспериментальную основу для проверки теоретических моделей процессов, происходящих внутри этих небесных тел.
|
|
|
|
Внутри звезд и планет тепло переносится за счет конвекции: более горячий материал поднимается вверх, а более холодный опускается вниз. Это создает турбулентные потоки, которые приводят в движение магнитное поле Земли и влияют на динамику звезд. Согласно теоретическим предсказаниям, внутри быстро вращающихся небесных тел эти потоки достигают особого состояния. Научное сообщество называет это предельное состояние режимом без диффузии, при котором крупные потоки определяются почти исключительно плавучестью и вращением, а такие свойства жидкости, как вязкость или теплопроводность, становятся практически незаметными. Многие модели недр звезд и планет основаны на предположении, что конвекция происходит именно в этом предельном режиме.
|
|
|
|
|
|
|
Однако до недавнего времени именно в этом и заключалась проблема: в классических лабораторных экспериментах на стенках испытательных сосудов образовывались тепловые пограничные слои, которые влияли на поток настолько, что его состояние оставалось скрытым. Поэтому долгое время было неясно, возможно ли вообще проверить теоретические предсказания в экспериментальных условиях.
|
|
|
|
Международная исследовательская группа совершила прорыв, проведя эксперимент с вращающимся жидкометаллическим сосудом, в котором в качестве тестовой среды использовался жидкий галлий, а также особый режим колебательного течения, возникающий исключительно в жидких металлах, в отличие от обычной стационарной конвекции. В отличие от классических конвекционных потоков, этот режим определяется не тепловыми пограничными слоями на стенках сосуда, а температурным градиентом внутри жидкости, что позволяет создать условия, которые уже давно предсказываются в моделях.
|
|
|
|
«Наш эксперимент впервые продемонстрировал в лабораторных условиях это теоретически предсказанное состояние, что значительно укрепило нашу уверенность в моделях, которые мы используем для описания процессов внутри звёзд и планет», — говорит доктор Джуэл Эббейт из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая проводила это исследование в рамках работы над диссертацией.
|
|
|
|
Доктор Тобиас Фогт из Института гидродинамики Общества гидродинамических исследований также участвовал в экспериментах и измерениях во время двух исследовательских стажировок в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Чтобы подтвердить экспериментальные результаты, исследователи сравнили три независимых показателя с теоретическими прогнозами: перенос тепла, скорость потока и колебания температуры в жидкости. Все три показателя количественно совпали с теоретическими расчетами. Численное моделирование с высоким разрешением дополнительно подтвердило полученные результаты.
|
|
|
|
«Особую убедительность нашей работе придает тот факт, что теория, эксперимент и численное моделирование теперь количественно согласуются друг с другом, что позволяет нам экспериментально подтвердить, что лежащие в их основе физические модели очень точно описывают наблюдаемый перенос тепла. Это дает нам гораздо больше уверенности в том, что эти модели можно применять для изучения недр планет и звезд», — резюмирует Фогт.
|
|
|
|
Полученные результаты устраняют разрыв между теорией и экспериментом, существовавший на протяжении десятилетий, и открывают новые возможности для изучения динамики внутри звезд и планет в лабораторных условиях, что позволит создать более надежные модели этих фундаментальных процессов во Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
