Heidelberg’deki (her ikisi de Almanya’da) Greifswald Üniversitesi ve Max Planck Astronomi Enstitüsü’nden (MPIA) araştırmacılar, protoplanetary disklerindeki kilit fiziksel süreçleri araştırmak için bir su kasırgası kullanarak akış özelliklerini simüle eden bir prototip deney kurulumu geliştirdiler. Kurulum ucuzdur ve yapılması kolaydır.
Gaz ve toz disklerinde gezegenler oluşur
Bir toplanma diskleri evrende çeşitli boyutlarda bulunur. Yaygın bir özellik, gazın yerçekimi çevredeki maddeyi etkileyen merkezi bir nesnenin yörüngesinde yer almasıdır. Gazın bir kısmı yavaş yavaş içe doğru sarılır ve merkezi vücudun kütlesini arttırır.
Toplama diskleri de genç yıldızları çevreliyor. Gaz, gökbilimcilerin toz olarak adlandırdığı mikroskobik katı partiküllerle karıştırılır. Bu parçacıklar birbirine yapışır ve yavaş yavaş binlerce kilometre büyüklüğünde nesnelere dönüşebilir – gezegenlerin öncüleri. Hem düzenli yörüngeler hem de kompakt girdapları içeren bu karmaşık süreçler, çok çeşitli ölçeklerde meydana gelir ve doğrudan gözlemlenmesi zordur.
Bu nedenle araştırmacılar genellikle fiziksel yasaların matematiksel formülasyonlarını kullanarak süreçleri yeniden üretmek için simülasyonlara yönelirler. Bununla birlikte, bu tür simülasyonların uzun süre ilgili tüm ölçekleri yakalaması zordur. Ayrıca, hesaplama artefaktları sonucu bozabilir çünkü simülasyon sonuçları gözlemlerle karşılaştırılmalıdır.
Analog deney simülasyonu tamamlar
Yeni geliştirilen su kasırgası modeli, bu sınırlamaların bazılarını ele almak için zarif bir araç sağlayabilir. Bu tür analog deneyler oluşturma girişimlerinin aksine, yeni yaklaşım iki temel avantaj sunmaktadır. İlk olarak, geniş bir radyal aralığın simüle edilmesine izin verirken, önceki modeller dar, halka şeklindeki bölgelerle sınırlıydı.
Greifswald Üniversitesi’nden Stefan Knauer, “İkincisi, hareketler ve akışlar, gezegen oluşturan disklerde ve gezegen sistemlerinde gözlemlenenlere çok benziyor.” Gezegensel yörüngeleri yöneten temel fiziksel ilkelerden bazıları 17. yüzyılın başlarında Johannes Kepler tarafından formüle edildi ve ayrıca bir diskteki gaza uygulandı. İlk testler, bu yasaların büyük ölçüde su kasırgası modelinde de geçerli olduğunu göstermiştir.
Şimdi yayınlanan bu bulgular Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri: Mektuplardoğrudan gözlemden gizlenmiş ve yeni bir anlayış sağlayan yönleri ele alarak simülasyonları artırabilir. Özellikle ilgi çekici bir alan, toz parçacıklarının ve gazının, gezegen oluşumunu teşvik edecek şekilde birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğidir.
Akvaryum bileşenlerini kullanan bir su deposu
Deney kurulumunu tasarlarken, protoplanetary bir diskin merkezindeki bir yıldızın yerçekimi potansiyelini mümkün olduğunca doğru bir şekilde çoğaltmak çok önemliydi. Basit bir tasarımla yapılan bir deney, bu göreve çözüm sağladı.
Su kabı, biri diğerinin üzerine yerleştirilen farklı çaplarda iki şeffaf akrilik cam silindirden oluşur. Altının tabanında, 15 centimetre genişliğinde silindir merkezi bir çıkış vardır. İki nozul, tank tabanına paralel olarak zıt yönlere pompa suyuna monte edildi. Pompa, ticari olarak temin edilebilen bir akvaryum cihazıdır.
Su akışı, sıvının dönmesine neden olur ve yüzeyi tankın altından 50 santimetre genişliğinde silindirin duvarına uzanan bir girdap oluşturur. Kullanılabilir deney bölgesi merkezden yaklaşık 3 santimetre başlar ve neredeyse tankın kenarına kadar uzanır. Su kasırgasının şekli, bir yerçekimi alanını taklit etmenin gerekli özelliğini yerine getirir.
Su Kasırgası Protoplantary Diski taklit ediyor
Suyun yüzeyindeki akış davranışını analiz etmek için, araştırma ekibi girdap içine küçük polipropilen boncuklar getirdi. Bu malzemenin suya benzer bir yoğunluğu olduğundan, boncuklar yüzeyin yakınında kaldı ve dönen hareketle taşındı. Konumları yüksek hızlı bir kamera kullanılarak kaydedildi ve yörüngelerini hesaplamak için bir bilgisayar algoritması kullanıldı.
Beklendiği gibi, yörüngelerin çoğu, göksel nesnelerin eliptik yolları takip ettiğini belirten Kepler’in ilk yasasına uymadı. Huni şeklindeki deney kurulumları genellikle spiral veya kapalı olmayan yörüngeler üretme eğilimindedir. Ancak bu sınırlama, deneysel tasarımın uygun şekilde ölçeklenmesi ile hafifletilebilir. Bu nedenle deneyin bir sonraki versiyonu önemli ölçüde daha büyük olacaktır.
Bununla birlikte, ortalama olarak, Kepler yasalarının diğer ikisi parçacıkların hareketini iyi tanımladığı görülmüştür. İkinci yasa, bir gezegeni merkezi gövdeye bağlayan bir çizginin eşit zaman aralıklarında eşit alanları süpürdüğünü belirtir – bu da yörünge hızının merkezi nesnenin yakınında en yüksek olduğunu ortaya koyar. Su kasırgası yörüngeleri, küçük zamansal dalgalanmalarla olsa da benzer davranışlar sergiledi.
Kepler’in üçüncü yasası, yörünge dönemi ile yörünge boyutu arasında matematiksel bir ilişki kurar. Su kasırgasındaki boncuklar da bu desene yakından uyuyordu.
Daha ayrıntılı bir analiz, su kasırgasındaki hidrodinamik parametrelerin protoplantary disklerde tipik olarak bulunanlarla yakından eşleştiğini göstermiştir. Araştırmacılar, laboratuvar girdapına sokulan yeterince küçük parçacıkların gerçek disk ortamlarındaki toz tanelerine benzer şekilde davranması gerektiği sonucuna varmışlardır.
Prototipten rafine deneye kadar
Burada açıklanan kurulum, astronomik araştırma için bu yaklaşımın genel fizibilitesini ve potansiyelini göstermeyi amaçlayan bir prototiptir.
MPIA’daki gezegen oluşturan disklerin hesaplamalı çalışmalarına yol açan Mario Flock, “Bu analog deneyin mevcut sonuçları etkileyici” diyor. Diyerek şöyle devam etti: “Birkaç modifikasyonla, su kasırgası modelini geliştirebileceğimiz ve bilimsel uygulamaya yaklaştırabileceğimizden eminim. Bu yeni analog deneyin, süreçlerin gezegen oluşturan disklerdeki geniş mesafelerde nasıl ortaya çıktığına dair bilgiler sunacağını umuyoruz.”
Bilim adamları, konteyner şeklini optimize ederek türbülansı azaltabileceklerini, daha sakin bir yüzeye ve daha kararlı akışlara yol açabileceklerini umuyorlar. Bu, deneyin istenen özelliklerinin daha kesin karakterizasyonuna izin verecektir.
