Kjo foto tregon pjesën e sipërme të modelit të tornados së ujit. Tanka prej xhami akrilik ka një diametër prej 50 centimetrash dhe është e ndriçuar me shirita LED. Uji formon një vorbull, forma e sipërfaqes së së cilës riprodhon profilin e një fushe gravitacionale. Analiza tregoi se lëvizja e ujit i ngjan shumë sjelljes së vërejtur në disqet protoplanetare. Kredite: S. Schütt (Universiteti i Greifswald)
Studiues nga Universiteti i Greifswald dhe Instituti Max Planck për Astronomi (MPIA) në Heidelberg (të dyja në Gjermani) kanë zhvilluar një prototip eksperimental që simulon vetitë e rrjedhës duke përdorur një tornado uji për të hetuar proceset kryesore fizike në disqet protoplanetare. Ky model është i lirë dhe i lehtë për t’u ndërtuar.
Planetët formohen brenda disqeve të gazit dhe pluhurit
Disqet e akrecionit ekzistojnë kudo në univers në madhësi të ndryshme. Një veçori e zakonshme është që gazi rrotullohet rreth një objekti qendror, graviteti i të cilit ndikon në materien përreth. Një pjesë e gazit gradualisht spiralon nga brenda, duke rritur masën e trupit qendror.
Disqe akrecioni rrethojnë gjithashtu yjet e rinj. Gazi përzihet me grimca të imëta të ngurta, që astronomët i quajnë pluhur. Këto grimca ngjiten mes tyre dhe mund të rriten gradualisht në objekte me mijëra kilometra në madhësi – pararendësit e planetëve. Këto procese komplekse, që përfshijnë orbitat e rregullta dhe vorbulla të ngjeshura, ndodhin në shkallë të ndryshme dhe janë të vështira për t’u vëzhguar drejtpërdrejt.
Prandaj, studiuesit shpesh përdorin simulime për të riprodhuar proceset duke përdorur formulime matematikore të ligjeve fizike. Megjithatë, është sfiduese që këto simulime të kapin të gjitha shkallët përkatëse për periudha të gjata kohe. Për më tepër, rezultatet e simulimeve duhet të krahasohen me vëzhgimet, pasi artefaktet kompjuterike mund ta shtrembërojnë rezultatin.
Eksperimenti analog plotëson simulimin
Modeli i ri i tornados së ujit mund të ofrojë një mënyrë elegante për të adresuar disa prej këtyre kufizimeve. Ndryshe nga përpjekjet e mëparshme për të krijuar eksperimente të tilla analoge, qasja e re ofron dy përparësi kryesore. Së pari, lejon simulimin e një game të gjerë radiale, ndërkohë që modelet e mëparshme ishin të kufizuara në zona të ngushta në formë unaze.
“Së dyti, lëvizjet dhe rrjedhat i ngjajnë shumë atyre të vëzhguara në disqet ku formohen planetët dhe në sistemet planetare,” shpjegon Stefan Knauer nga Universiteti i Greifswald. Disa nga parimet themelore fizike që qeverisin orbitat planetare u formuluan në fillim të shekullit të 17-të nga Johannes Kepler dhe zbatohen gjithashtu te gazi në një disk. Testet fillestare treguan se këto ligje vlejnë kryesisht edhe në modelin e tornados së ujit.
Këto gjetje, të publikuara tani në Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, mund të përmirësojnë simulimet duke trajtuar aspekte që mbeten të fshehura nga vëzhgimet direkte dhe të ofrojnë kuptime të reja. Një fushë me interes të veçantë është se si grimcat e pluhurit dhe gazi ndërveprojnë mes tyre në mënyra që nxisin formimin e planetëve.
Një tank uji duke përdorur pjesë për akuarium
Gjatë projektimit të modelit eksperimental, ishte vendimtare të replikohej potenciali gravitacional i një ylli në qendër të një disku protoplanetar sa më saktë të ishte e mundur. Një eksperiment me dizajn të thjeshtë ofroi zgjidhjen për këtë detyrë.
Kontenieri i ujit përbëhet nga dy cilindra transparentë prej xhami akrilik me diametra të ndryshëm, të vendosur njëri mbi tjetrin. Në bazën e cilindrit të poshtëm, me diametër 15 centimetra, ndodhet një dalje qendrore. Dy gryka të montuara më larg pompimit qarkullojnë ujin në drejtime të kundërta, paralelisht me dyshemenë e tankut. Pompa është një pajisje standarde për akuarium.
Rryma e ujit bën që fluidi të rrotullohet, duke formuar një vorbull, sipërfaqja e së cilës shtrihet nga fundi i tankut deri te muri i cilindrit të sipërm, me diametër 50 centimetra. Zona eksperimentale e përdorshme fillon rreth 3 centimetra nga qendra dhe shtrihet pothuajse deri në skajin e tankut. Forma e tornados së ujit përmbush pronën e nevojshme të imitimit të një fushe gravitacionale.
Tornadoja e ujit imiton një disk protoplanetar
Për të analizuar sjelljen e rrjedhës në sipërfaqen e ujit, ekipi i kërkimit futi rruaza të vogla polipropileni në vorbull. Meqë ky material ka dendësi të ngjashme me ujin, rruazat mbetën pranë sipërfaqes dhe u tërhoqën nga lëvizja rrotulluese. Pozicionet e tyre u regjistruan duke përdorur një kamera me shpejtësi të lartë, dhe një algoritëm kompjuterik u përdor për të llogaritur trajektoret e tyre.
Siç pritej, shumë nga orbitat nuk përputheshin me ligjin e parë të Keplerit, i cili thotë se objektet qiellore ndjekin trajektore eliptike. Modelet eksperimentale priren të prodhojnë trajektore spirale ose jo të mbyllura. Kjo kufizim, megjithatë, mund të zbutet duke e shkallëzuar në mënyrë të përshtatshme dizajnin eksperimental. Versioni tjetër i eksperimentit pritet të jetë ndjeshëm më i madh.
Megjithatë, mesatarisht, dy ligjet e tjera të Keplerit duket se përshkruanin mirë lëvizjen e grimcave. Ligji i dytë thotë se një vijë që lidh një planet me trupin qendror fshin sipërfaqe të barabarta në intervale të barabarta kohe – duke nënkuptuar që shpejtësia orbitale është më e lartë pranë objektit qendror. Orbitat e tornados së ujit shfaqën sjellje të ngjashme, edhe pse me fluktuacione të vogla.
Ligji i tretë i Keplerit përcakton një marrëdhënie matematikore mes periudhës orbitale dhe madhësisë së orbitës. Rruazat në tornadon e ujit përputheshin ngushtësisht edhe me këtë model.
Një analizë më e detajuar tregoi gjithashtu se parametrat hidrodinamikë në tornadon e ujit përputhen ngushtë me ato që gjenden zakonisht në disqet protoplanetare. Studiuesit përfundojnë se grimcat mjaftueshëm të vogla të futura në vorbullën laboratorike duhet të sillen në mënyrë të ngjashme me kokrrat e pluhurit në mjediset reale të diskut.
