Zvijezde i planeti skrivaju svoje najdublje slojeve, pa ih nije moguće izravno promatrati. Fizičari zato neke od ključnih procesa pokušavaju reproducirati u laboratoriju. Međunarodni tim koji su predvodili istraživači sa Sveučilišta Kalifornije u Los Angelesu (UCLA), uz sudjelovanje kolega iz Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), prvi je put izmjerio režim turbulentne konvekcije koji teorijski modeli predviđaju za brzo rotirajuća nebeska tijela.
Pokus s tekućim galijem pokazao je da se prijenos topline, brzina strujanja i temperaturna kolebanja ponašaju onako kako predviđaju teorijski izračuni i numeričke simulacije. Rezultati su objavljeni u časopisu Physical Review Letters.
Kako strujanje prenosi toplinu
U dubini zvijezda i planeta zagrijani se materijal diže, dok se hladniji spušta. To neprestano miješanje naziva se konvekcija. U zvijezdama utječe na prijenos energije i njihovu dinamiku, a u Zemljinoj vanjskoj jezgri pridonosi stvaranju magnetskog polja.
Rotacija nebeskog tijela dodatno oblikuje strujanje. Modeli predviđaju da se u brzo rotirajućim zvijezdama i planetima može uspostaviti režim u kojem ponašanje velikih tokova određuju gotovo samo uzgon i rotacija. Viskoznost i toplinska vodljivost fluida tada imaju zanemariv utjecaj. Autori taj idealizirani režim nazivaju “diffusivity-free regime”, odnosno režimom bez difuzije.
Zašto taj režim nije bilo lako izmjeriti?
U uobičajenim laboratorijskim pokusima uz stijenke posude stvaraju se tanki toplinski granični slojevi. Oni mogu promijeniti tok i prikriti upravo ono ponašanje koje istraživači žele izmjeriti. Zbog toga se desetljećima nije znalo može li se teorijsko predviđanje provjeriti u stvarnom pokusu.
Tim je taj problem zaobišao uporabom rotirajućeg tekućeg metala. U pokusu je korišten galij, a istraživači su u njemu pobudili oscilirajući oblik strujanja koji se može pojaviti u tekućim metalima. U takvom režimu tok određuje temperaturni gradijent u unutrašnjosti fluida, a ne slojevi uz stijenke posude.
Tri mjerenja dala su isti odgovor
Istraživači su rezultat provjerili na tri neovisna načina: mjerili su učinkovitost prijenosa topline, brzinu strujanja i temperaturne promjene unutar tekućine. Sve tri veličine kvantitativno su se podudarile s teorijskim modelima, a dodatne numeričke simulacije visoke razlučivosti dale su isti rezultat.
Laboratorij ne može oponašati cijelu zvijezdu ili planet, ali može provjeriti odnose u jednadžbama koje opisuju njihovo strujanje. To je važno jer se pretpostavke o unutrašnjosti tih tijela ne mogu izravno testirati promatranjem. Rezultat istraživačima daje pouzdaniju osnovu za izračune prijenosa topline i gibanja materijala u njihovim nedostupnim dubinama.
Bolji modeli za zvijezde, planete i Zemljino magnetsko polje
Konvekcija u rastaljenom metalu važna je i za Zemljino magnetsko polje. Tokovi rastaljenog željeza u Zemljinoj vanjskoj jezgri jedan su od primjera takve dinamike. U drugim zvijezdama i planetima slični se procesi odvijaju u drukčijim uvjetima, pri znatno bržoj rotaciji i u razmjerima koje nije moguće vjerno ponoviti u laboratoriju.
Eksperimentalna potvrda ne znači da su sva pitanja riješena. Ona istraživačima daje pouzdaniji način provjere kako se konvekcija mijenja s brzinom rotacije, veličinom tijela i svojstvima fluida. Takvi modeli mogu pomoći u razumijevanju nastanka magnetskih polja, dugoročnog razvoja zvijezda i unutarnje dinamike planeta.
Eksperiment tako povezuje teorijske izračune s mjerljivim rezultatima i otvara prostor za preciznije modele unutrašnjosti zvijezda, planeta i Zemljine jezgre. Sljedeći je korak provjeriti kako se isti režim ponaša pri drukčijim brzinama rotacije i uvjetima zagrijavanja.
