Фізики змоделювали утворення планети за допомогою намистинки і пилів у невагомості

Астрофізики експериментально досліджували процес зіткнення масивної частинки і згустка пилу в невагомості, який відбувається на ранніх етапах формування планет. Для цього вчені знімали об'єкти на швидкісну камеру під час вільного падіння у вакуумній камері. В результаті дослідники встановили кінематичні закономірності, що супроводжують процес, і розробили теоретичну модель, яка якісно описує зіткнення. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.


В даний час астрофізики вважають, що планети утворюються з протопланетної пилової хмари - пилинки стикаються і злипаються, в результаті чого неоднорідності хмари обростають масою і поступово перетворюються на зародки планет кілометрового розміру, які називають планетезималями. Після цього планетезималі продовжують поглинати пил і стикатися один з одним, і з часом виростають у повноцінні планети. Більш детально про ці процеси можна прочитати в статті Дугласа Ліна «Походження планет».


На жаль, вчені погано розуміють, як саме частинки пилу збираються разом. Зокрема, фізики не знають, що відбувається з хмаром склеїних пилів, коли в нього врізається інше велике тіло. З одного боку, така хмара може складатися з твердих частинок (піщинок). З іншого боку, частинки хмари можуть бути «м'якими», тобто являти собою пористі агломерати, що складаються з ще більш дрібних пилів (грудочки слипшейся пилу). Минулого року групи астрофізиків під керівництвом Юргена Блюма (Jürgen Blum) досліджували кожен з цих сценаріїв окремо, проводячи експерименти з «м'якими» згустками, зліпленими з пилів кремнезему SiO2, або з хмарами твердих бусинок, що складаються зі скла, стали або свинцю. Тим не менш, теоретичні моделі, здатні пояснити кожен з цих типів зіткнень, досі не побудовані. Зіставлення цих випадків допомогло б виділити основні механічні характеристики зіткнень і розробити таку теорію - а це в перспективі дозволило б краще зрозуміти процеси формування планет.

Тому астрофізики Хіроакі Кацурагі (Hiroaki Katsuragi) і Юрген Блюм повторили обидва типи експериментів і розробили найпростішу модель зіткнень, відштовхуючись від емпіричних залежностей, виведених з експериментальних даних. Для цього вчені вистрілювали снарядом у мішень, яка складалася з «твердих» або «м'яких» частинок. Щоб виготовити «м'які» частинки, дослідники просівали пилинки діаметром від 0,1 до 10 мікрометрів і змушували їх склеюватися в пористі частинки діаметром приблизно 1,0-1,6 міліметра. Як тверді частинки вчені використовували скляні кульки діаметром близько одного міліметра. Снарядом же виступала більш велика і масивна намистинка зі скла, стали або свинцю.

Щоб позбутися впливу гравітації, опору повітря і впливу стінок судини, в якому знаходяться пилинки, дослідники проводили експерименти у вежі вільного падіння (drop tower) - вакуумній камері висотою близько 185 сантиметрів, повітря з якої було відкачане до тиску менше 10 4 атмосфер. Якщо відпустити снаряд і мішень у верхній точці вежі, вони будуть вільно падати протягом 0,6 секунд, що дозволяє змоделювати невагомість. Більш того, швидкість зіткнення можна контролювати, змінюючи час відпускання мішені і снаряда; оскільки час падіння об'єктів було обмежено, швидкість зіткнення лежала в діапазоні від 0,045 до 1,6 метрів на секунду. Спочатку частинки мішені поміщалися в склянку, а на початку експерименту склянка переверталася, і частинки падали вільно. Зіткнення частинок вчені записували на рапідну камеру з частотою 3000 кадрів на секунду і просторовою роздільною здатністю близько 0,2 міліметрів на піксель. Всього фізики поставили 64 досвіди - 36 для «м'якої» мішені і 28 для «твердої».

У результаті вчені виявили, що швидкість зіткнення, прискорення снаряда і глибина його проникнення в мішень в обох випадках були пов'язані співвідношенням = 2 з коефіцієнтом пропорційності 0,64, тобто випадки «м'якої» і «твердої» мішені фактично нічим не відрізнялися. Якби початкова кінетична енергія снаряда повністю витрачалася під час гальмування всередині мішені, коефіцієнт дорівнював би = 0,5 (завдяки закону збереження енергії). Проте на практиці глибина проникнення була меншою, ніж передбачала така наївна теорія. Більше того, іноді снаряд не встигав втратити свою енергію і продовжував рух, повністю пройшовши крізь мішень. У середньому, близько 5 відсотків кінетичної енергії снаряда передавалося мішені, 75 відсотків переходило в тепло або деформації і 15 відсотків зберігалося. Щоб пояснити це збереження, фізики теоретично змоделювали пластичні та в'язкоупругі деформації мішені. Однак це не допомогло пояснити експериментальні дані - в обох випадках теорія передбачала набагато нижчий темп втрат енергії.

Тим не менш, після низки безуспішних спроб фізикам вдалося знайти теоретичну модель, яка коректно описує зіткнення снаряда і мішені. Для цього вони розбили мішень на три області і окремо розглянули зміну енергії та імпульсу кожної з областей, а потім розрахували швидкість їх розширення і порівняли її з експериментом. Вільними параметрами в цьому випадку виступають коефіцієнти «ефективності» передачі енергії та імпульсу між снарядом і частинами мішені. Щоб пов'язати ці коефіцієнти з енергією снаряда, вчені змоделювали послідовність подвійних зіткнень за допомогою випадкових блукань (дифузії). Цього разу виявилося, що експериментальні точки досить добре лягають на теоретичну залежність. Таким чином, цю модель можна використовувати для якісного опису зіткнення частинок пилу і формування планет.

Вчені часто використовують вежі вільного падіння, щоб змоделювати умови невагомості, оскільки це в багато разів дешевше і простіше, ніж запускати експериментальні установки в космос. Наприклад, у липні цього року хіміки перевірили за допомогою такої вежі фотоелектрохімічний осередок, призначену для розщеплення води на водень і кисень. У травні німецькі фізики вперше побачили охолодження сипучого газу, який складався з тонких мідних паличок і вільно падав з вежі ZARM Drop Tower протягом п'яти секунд. На жаль, такі експерименти не дозволяють вивчити довгострокові ефекти від невагомості, і іноді вченим все-таки доводиться проводити експерименти на орбіті Землі. Наприклад, за допомогою таких експериментів фізики довели довгострокову працездатність атомного годинника, розібралися у взаємодії пилу і плазми і дослідили поведінку бозе-конденсату атомів рубідію.


COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND