Учёные из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) в США совершили прорыв, впервые воспроизведя в лабораторных условиях процесс, который может лежать в основе формирования планет. Используя установку с вращающимися цилиндрами и жидким металлом, они наблюдали, как частицы в модельном аккреционном диске собираются в сгустки, напоминающие зарождающиеся планеты. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters (PRL), проливает свет на загадку рождения планет и даёт ключ к пониманию процессов, происходящих в космосе.

Что такое аккреционные диски?

Аккреционные диски — это вращающиеся кольца из газа, пыли и плазмы, которые окружают молодые звёзды, чёрные дыры или нейтронные звёзды. Считается, что именно из таких дисков формируются планеты, когда частицы пыли слипаются, образуя планетезимали — зародыши будущих планет. Однако механизмы, запускающие этот процесс, до сих пор оставались неясными из-за сложности их наблюдения в космосе.

В космосе аккреционные диски могут простираться на сотни миллионов километров, как в случае с протопланетными дисками вокруг молодых звёзд. Например, диск, из которого сформировалась Земля, существовал около 4.6 миллиарда лет назад вокруг молодого Солнца. Прямое наблюдение таких процессов затруднено, поэтому лабораторные эксперименты становятся важным инструментом для их изучения.

Как смоделировали рождение планет?

Учёные из Принстона разработали уникальную установку, состоящую из двух концентрических вращающихся металлических цилиндров, между которыми находилась жидкость, имитирующая свойства плазмы — ионизированного газа, характерного для аккреционных дисков. Жидкий металл, такой как галлий, использовался для воспроизведения динамики космической плазмы, которая ведёт себя подобно жидкости под действием электромагнитных сил.

Ключевым открытием стало то, что при вращении цилиндров с разной скоростью в жидкости возникали неустойчивости — небольшие «покачивания» или возмущения. Эти колебания приводили к разделению частиц: более тяжёлые двигались наружу, а лёгкие — внутрь, образуя плотные сгустки.

«Наши эксперименты показали, что такие колебания могут возникать чаще, чем мы думали, и, возможно, именно они запускают процесс рождения планет», — отметил соавтор исследования Инь Ван.

Эти сгустки, по аналогии с космическими процессами, могут стать основой для формирования планетезималей, которые со временем вырастают в планеты, подобные Земле или Юпитеру.

Почему это важно?

Эксперимент выявил несколько ключевых аспектов:

  • Неустойчивости без гравитации: Удивительно, что для возникновения колебаний, ведущих к скоплению частиц, не требуется гравитация. Достаточно разницы в скоростях движения вещества, что делает этот механизм универсальным. Подобные неустойчивости наблюдаются в космосе, например, в солнечной короне или вблизи чёрных дыр.
  • Универсальность процесса: Аналогичные неустойчивости могут играть роль не только в формировании планет, но и в других астрофизических явлениях, таких как аккреция вещества на чёрные дыры или формирование колец вокруг планет, вроде Сатурна.
  • Земные аналоги: Эксперимент подтверждает, что процессы, происходящие в космосе на огромных масштабах, можно воспроизвести в лаборатории, используя жидкости с подходящими свойствами.

Связь с реальным космосом

Полученные результаты помогают объяснить, как из хаотичного облака газа и пыли рождаются упорядоченные структуры, такие как планеты. Например, в протопланетных дисках неустойчивости могут возникать из-за турбулентности, вызванной магнитными полями или перепадами плотности. Это приводит к концентрации пыли в определённых областях, где она начинает слипаться, формируя всё более крупные тела.

«Мы впервые показали, что неустойчивости в плазменных дисках могут запускать процесс, аналогичный рождению планет, и это происходит даже в отсутствие сильной гравитации», — подчеркнули авторы.

Исследование также имеет значение для изучения экзопланет. Понимание механизмов формирования планет в нашей Солнечной системе может помочь предсказать, какие типы планет вероятнее всего встречаются в других звёздных системах, включая потенциально обитаемые миры.

Что дальше?

Авторы планируют усовершенствовать эксперимент, добавив:

  • Магнитные поля: для моделирования магниторотационных неустойчивостей (MRI), которые играют ключевую роль в реальных аккреционных дисках.
  • Более сложные материалы: использование смесей жидкостей и частиц разного размера, чтобы точнее имитировать состав протопланетных дисков.
  • Компьютерное моделирование: для сопоставления лабораторных данных с наблюдениями телескопов, таких как ALMA, которые изучают протопланетные диски в реальном времени.

Эти шаги позволят глубже понять, как именно формируются планеты, и проверить гипотезы о роли неустойчивостей в эволюции звёздных систем.

Заключение

Учёные из Принстонской лаборатории впервые смоделировали процесс формирования планет в лабораторных условиях, используя вращающиеся цилиндры и жидкий металл, имитирующий плазму аккреционного диска. Их открытие, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, что неустойчивости в движении вещества могут запускать скопление частиц, ведущее к рождению планет — даже без участия гравитации. Этот эксперимент не только приближает нас к разгадке происхождения Земли и других планет, но и демонстрирует, как земные технологии могут воссоздавать космические процессы. Будущие исследования обещают ещё больше раскрыть тайны формирования миров, от нашей Солнечной системы до далёких экзопланет.