Эксперименты в условиях микрогравитации подтвердили способность частиц миллиметрового размера приобретать электрический заряд при соударениях, который помогает им слипаться в образования большего размера. Это позволяет преодолеть сантиметровый барьер роста структур в протопланетных дисках, после которого начинают работать другие механизмы, такие как потоковая неустойчивость, пишут авторы в журнале Nature Physics.

Планеты формируются в протопланетных дисках из газа и выли вокруг молодых звезд. Изначально в них присутствуют частицы размером порядка микрометра. Существует достаточно ясное теоретическое понимание ключевых процессов, участвующих в росте объектов от метров, которые при соударениях объединяются в более крупные тела, которые в итоге начинают притягивать вещество собственной гравитацией. Однако полноценного объяснения перехода к частицам размером около метра и менее нет — эту ситуацию физики называют сантиметровым барьером.

Теоретические оценки показывают, что существует два проблемных явления. Во-первых, в численных симуляция частицы больше миллиметра испытывают преимущественно упругие соударения, из-за чего отскакивают друг от друга, а не теряют кинетическую энергию и слипаются. Во-вторых, при типичных относительных скоростях в протопланетных дисках тела с диаметром около сантиметра должны дробиться при соударениях, а не слипаться. Существует ряд гипотез, претендующих на объяснение этого перехода, но пока что ни одна из них не получила полноценного экспериментального подтверждения.

Ученые из Германии и США под руководством Герхарда Вурма (Gerhard Wurm) из Университета Дуйсбурга—Эссена провели эксперименты, которые подтвердили одну из предложенный идей. Ученые подбрасывали контейнер с имитирующими хондры стеклянными шариками диаметром 0,4 миллиметра внутри 120-метровой вакуумной трубы — испытательной башни в Бремене. В результате выяснилось, что соударения в условиях микрогравитации приводят к появлению электростатического заряда на поверхности даже одинаковых частиц. Затем эти заряды позволяют формироваться комкам размером до нескольких сантиметров.

Эксперименты осуществлялись в режиме катапульты, при котором ударопрочный контейнер с гранулами, высокоскоростными камерами и другим измерительным оборудованием выстреливается со дна башни. При этом в течение всего полета вверх и вниз (9,3 секунды) объекты внутри находятся в режиме микрогравитации, что позволяет изучать намного более слабые взаимодействия между телами, которые будут совершенно незначительны по сравнению с силой тяжести на поверхности Земли.

Перед запуском контейнер с частицами встряхивали, благодаря чему некоторые объекты получали заряд. В процессе полета, когда вес гранул становился пренебрежимо мал, электростатические силы между ними заставляли их объединяться в группы, некоторые из которых были размером в несколько сантиметров и состояли из более чем тысячи элементов. Также оказалось, что эти агрегаты обладают достаточной механической прочностью, которая позволяла им не распадаться при соударениях даже с относительно быстрыми частицами, легко разрушающими незаряженные скопления.

Для подтверждения полученных результатов авторы провели численные симуляции процессов. Оказалось, что учет электростатических взаимодействий приводит к согласованию результатов, но при игнорировании вклада данного процесса настолько больших групп не образуется.

Авторы заключают, что им удалось подтвердить один из возможных механизмов преодоления обоих проблем сантиметрового барьера. При этом в их экспериментах скорости частиц соответствовали ожидаемым в протопланетных дисках на расстоянии порядка одной астрономической единицы от звезды. Однако дополнительных исследований требует соотнесение состава частиц, так как в данном случае использовали лишь стеклянные гранулы. Ученые пишут, что изучили столкновительную электризацию базальтовых гранул, которая оказалась еще выше. Также они отмечают, что возможны другие механизмы электризации, связанные с космическими лучами или радиоактивными распадами.

Недавно астрономы выяснили, что столкновения планетезималей могут вернуть пыль в протопланетный диск, впервые обнаружили в таком образовании муравьиную кислоту, а также нашли первый околозвездный диск, напоминающий спиральную галактику.

Тимур Кешелава

Источник: nplus1.ru

Оставить комментарий

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
  Подписаться  
Уведомление о