Всередині зір і планет тепло переносить речовина, яка постійно рухається. Що саме відбувається в цих надрах, побачити неможливо, тому фізики покладаються на розрахунки й лабораторні досліди. Один із ключових станів такого руху десятиліттями існував лише в теорії. Тепер його вперше відтворили за допомогою рідкого металу.
Навіщо це потрібно
Зазирнути в надра зорі або планети не можна жодним приладом. Про те, що відбувається під поверхнею, розуміють за моделями, а самі моделі перевіряють у лабораторії на речовині, яку можна нагрівати й обертати.
Основний процес там простий за схемою. Нагріта речовина підіймається вгору, охолоджена опускається вниз, і так виникають турбулентні течії. Саме вони підтримують магнітне поле Землі та впливають на динаміку зір.
Стан без впливу речовини
З теоретичних оцінок випливає, що в тілах зі швидкою осьовою ротацією такі течії переходять у граничний стан, який називають бездифузійним режимом. Його суть у тому, що характер великих рухів задають лише нагрів і обертання, а властивості самої рідини на кшталт в’язкості чи теплопровідності стають майже несуттєвими.
Це і робить бездифузійний режим цінним для астрофізики. Якщо в цьому стані течія не залежить від властивостей конкретної рідини, то перевірені на ній моделі мають описувати й речовину в надрах зорі. На такому припущенні побудовано багато моделей внутрішньої будови планет і зір, як пише рhys.org.
Десятиліття без відповіді
Перевірити припущення дослідним шляхом не вдавалося через саму ємність. Біля її стінок утворюються теплові примежові шари, які викривляють рух настільки, що потрібний стан залишається прихованим.
Обійти перешкоду вдалося за допомогою іншого типу течії. Замість звичної стаціонарної конвекції використали коливальний режим, що виникає тільки в рідких металах. Його породжує температурний перепад у товщі самого розплаву, а не пристінкові процеси, тому вплив стінок перестає бути визначальним.
Дослід із галієм
Для дослідів обрали галій у розплавленому стані, а сама установка під час вимірювань оберталася. Таке поєднання дало умови, які моделі описували давно, але яких ніхто не бачив у лабораторії.
Галій зручний для таких робіт тим, що плавиться приблизно при 30 °C, тобто переходить у рідкий стан за температури, трохи вищої за кімнатну. Тепло він проводить у десятки разів краще за воду, а от в’язкість має порівнянну з нею, і саме таке поєднання робить можливим коливальний рух, недоступний у звичайних неметалевих середовищах.
«У нашому досліді цей теоретично очікуваний стан уперше показали в лабораторії, що значно посилює впевненість у моделях, якими ми описуємо процеси в надрах зір і планет», — говорить Джуел Аббате з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, яка виконувала роботу в межах докторського дослідження. Результати опублікували в рецензованому журналі Physical Review Letters.
Перевірка на трьох рівнях
Достовірність контролювали за трьома незалежними показниками. Дані досліду зіставили з розрахунками щодо перенесення тепла, швидкості течії та коливань температури всередині розплаву. Усі три величини збіглися кількісно, а незалежно від цього те саме показало комп’ютерне моделювання з високою роздільною здатністю.
«Особливо переконливим у цій роботі є кількісний збіг теорії, досліду і числового моделювання. Він підтверджує, що фізичні моделі дуже точно описують спостережуване перенесення тепла», — підсумовує Тобіас Фогт з Інституту динаміки рідин Гельмгольц-Центру Дрезден-Россендорф. Він брав участь у вимірюваннях під час двох дослідницьких візитів до Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі.
