Физики смоделировали образование планеты с помощью бусинки и пылинок в невесомости

Астрофизики экспериментально исследовали процесс столкновения массивной частицы и сгустка пыли в невесомости, который происходит на ранних этапах формирования планет. Для этого ученые снимали объекты на скоростную камеру во время свободного падения в вакуумной камере. В результате исследователи установили кинематические закономерности, сопровождающие процесс, и разработали теоретическую модель, которая качественно описывает столкновение. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В настоящее время астрофизики считают, что планеты образуются из протопланетного пылевого облака — пылинки сталкиваются и слипаются, в результате чего неоднородности облака обрастают массой и постепенно превращаются в зародыши планет километрового размера, которые называют планетезималями. После этого планетезимали продолжают поглощать пыль и сталкиваться друг с другом, и со временем вырастают в полноценные планеты. Более подробно про эти процессы можно прочитать в статье Дугласа Лина «Происхождение планет».

К сожалению, ученые плохо понимают, как именно частицы пыли собираются вместе. В частности, физики не знают, что происходит с облаком склеившихся пылинок, когда в него врезается другое крупное тело. С одной стороны, такое облако может состоять из твердых частиц (песчинок). С другой стороны, частицы облака могут быть «мягкими», то есть представлять собой пористые агломераты, состоящие из еще более мелких пылинок (комочки слипшейся пыли). В прошлом году группы астрофизиков под руководством Юргена Блюма (Jürgen Blum) исследовали каждый из этих сценариев по отдельности, проводя эксперименты с «мягкими» сгустками, слепленными из пылинок кремнезема SiO₂, или с облаками твердых бусинок, состоящими из стекла, стали или свинца. Тем не менее, теоретические модели, способные объяснить каждый из этих типов столкновений, до сих пор не построены. Сопоставление этих случаев помогло бы выделить основные механические характеристики столкновений и разработать такую теорию — а это в перспективе позволило бы лучше понять процессы формирования планет.

Поэтому астрофизики Хироаки Кацураги (Hiroaki Katsuragi) и Юрген Блюм повторили оба типа экспериментов и разработали простейшую модель столкновений, отталкиваясь от эмпирических зависимостей, выведенных из экспериментальных данных. Для этого ученые выстреливали снарядом в мишень, которая состояла их «твердых» или «мягких» частиц. Чтобы изготовить «мягкие» частицы, исследователи просеивали пылинки диаметром от 0,1 до 10 микрометров и заставляли их склеиваться в пористые частицы диаметром примерно 1,0–1,6 миллиметра. В качестве твердых частиц ученые использовали стеклянные шарики диаметром около одного миллиметра. Снарядом же выступала более крупная и массивная бусинка из стекла, стали или свинца.

Чтобы избавиться от влияния гравитации, сопротивления воздуха и воздействия стенок сосуда, в котором находятся пылинки, исследователи проводили эксперименты в башне свободного падения (drop tower) — вакуумной камере высотой около 185 сантиметров, воздух из которой был откачан до давления менее 10⁻⁴ атмосфер. Если отпустить снаряд и мишень в верхней точке башни, они будут свободно падать в течение 0,6 секунд, что позволяет смоделировать невесомость. Более того, скорость столкновения можно контролировать, изменяя время отпускания мишени и снаряда; поскольку время падения объектов было ограничено, скорость столкновения лежала в диапазоне от 0,045 до 1,6 метров в секунду. Изначально частицы мишени помещались в стакан, а в начале эксперимента стакан переворачивался, и частицы падали свободно. Столкновение частиц ученые записывали на рапидную камеру с частотой 3000 кадров в секунду и пространственным разрешением около 0,2 миллиметров на пиксель. Всего физики поставили 64 опыта — 36 для «мягкой» мишени и 28 для «твердой».

В результате ученые обнаружили, что скорость столкновения v, ускорение снаряда A и глубина его проникновения в мишень D в обоих случаях были связаны соотношением AD = Cv² с коэффициентом пропорциональности C ≈ 0,64, то есть случаи «мягкой» и «твердой» мишени фактически ничем не отличались. Если бы начальная кинетическая энергия снаряда полностью расходовалась во время торможения внутри мишени, коэффициент был бы равен C = 0,5 (благодаря закону сохранения энергии). Тем не менее, на практике глубина проникновения D была меньше, чем предсказывала такая наивная теория. Более того, иногда снаряд не успевал потерять свою энергию и продолжал движение, полностью пройдя сквозь мишень. В среднем, около 5 процентов кинетической энергии снаряда передавалось мишени, 75 процентов переходило в тепло или деформации и 15 процентов сохранялось. Чтобы объяснить это сохранение, физики теоретически смоделировали пластические и вязкоупругие деформации мишени. Однако это не помогло объяснить экспериментальные данные — в обоих случаях теория предсказывала гораздо более низкий темп потерь энергии.

Тем не менее, после ряда безуспешных попыток физикам удалось найти теоретическую модель, которая корректно описывает столкновение снаряда и мишени. Для этого они разбили мишень на три области и по отдельности рассмотрели изменение энергии и импульса каждой из областей, а затем рассчитали скорость их расширения и сравнили ее с экспериментом. Свободными параметрами в этом случае выступают коэффициенты «эффективности» передачи энергии и импульса между снарядом и частями мишени. Чтобы связать эти коэффициенты с энергией снаряда, ученые смоделировали последовательность двойных столкновений с помощью случайных блужданий (диффузии). На этот раз оказалось, что экспериментальные точки довольно хорошо ложатся на теоретическую зависимость. Таким образом, эту модель можно использовать для качественного описания столкновения частиц пыли и формирования планет.

Ученые часто используют башни свободного падения, чтобы смоделировать условия невесомости, поскольку это во много раз дешевле и проще, чем запускать экспериментальные установки в космос. Например, в июле этого года химики проверили с помощью такой башни фотоэлектрохимическую ячейку, предназначенную для расщепления воды на водород и кислород. В мае немецкие физики впервые увидели охлаждение сыпучего газа, который состоял из тонких медных палочек и свободно падал с башни ZARM Drop Tower в течение пяти секунд. К сожалению, такие эксперименты не позволяют изучить долгосрочные эффекты от невесомости, и иногда ученым все-таки приходится проводить эксперименты на орбите Земли. Например, с помощью таких экспериментов физики доказали долгосрочную работоспособность атомных часов, разобрались во взаимодействии пыли и плазмы и исследовали поведение бозе-конденсата атомов рубидия.

Дмитрий Трунин