Tornado d’acqua in laboratorio: un semplice esperimento simula la formazione dei pianeti

Un nuovo esperimento di laboratorio utilizza un tornado d’acqua per studiare i processi fisici chiave nei dischi protoplanetari. Le leggi di Keplero confermate in un serbatoio d’acqua: le orbite delle particelle fluttuanti seguono le stesse regole fisiche dei corpi celesti in un campo gravitazionale.

I ricercatori dell’Università di Greifswald e dell’Istituto Max Planck per l’astronomia (MPIA) di Heidelberg (entrambi in Germania) hanno sviluppato un prototipo di configurazione sperimentale che simula le proprietà del flusso nei dischi di accrescimento utilizzando un tornado d’acqua. L’installazione è economica e facile da costruire.

I dischi di accrescimento esistono in tutto l’Universo in varie dimensioni.

Una caratteristica comune è che il gas orbita attorno a un oggetto centrale la cui gravità influenza la materia circostante.

Parte del gas si muove gradualmente a spirale verso l’interno, aumentando la massa del corpo centrale.

I dischi di accrescimento circondano anche le giovani stelle.

Il gas è mescolato con particelle solide microscopiche, che gli astronomi chiamano polvere.

Queste particelle si uniscono e possono gradualmente crescere in oggetti di migliaia di chilometri di dimensioni, i precursori dei pianeti.

Questi processi complessi, che includono sia orbite ordinate che vortici compatti, si verificano su un’ampia gamma di scale e sono difficili da osservare direttamente.

I ricercatori quindi spesso si rivolgono alle simulazioni per riprodurre i processi utilizzando formulazioni matematiche di leggi fisiche. Tuttavia, è difficile per tali simulazioni catturare tutte le scale rilevanti per periodi prolungati.

Inoltre, i risultati della simulazione devono essere confrontati con le osservazioni, poiché gli artefatti computazionali possono distorcere il risultato.

Il modello di tornado d’acqua di nuova concezione può fornire un mezzo elegante per affrontare alcune di queste limitazioni.

A differenza dei precedenti tentativi di creare tali esperimenti analogici, il nuovo approccio offre due vantaggi chiave.

In primo luogo, consente di simulare un’ampia gamma radiale, mentre i modelli precedenti erano limitati a zone strette a forma di anello.

“In secondo luogo, i movimenti e i flussi assomigliano molto a quelli osservati nei dischi di formazione planetaria e nei sistemi planetari”, spiega Stefan Knauer dell’Università di Greifswald.

Alcuni dei principi fisici fondamentali che governano le orbite planetarie furono formulati all’inizio del XVII secolo da Giovanni Keplero e si applicano anche al gas in un disco.

I test iniziali hanno dimostrato che queste leggi valgono in gran parte anche nel modello dei tornado d’acqua.

Questi risultati potrebbero migliorare le simulazioni affrontando aspetti che rimangono nascosti all’osservazione diretta e fornire nuove comprensioni.

Un’area di particolare interesse è il modo in cui le particelle di polvere e il gas interagiscono tra loro in modi che promuovono la formazione dei pianeti.

Durante la progettazione della configurazione sperimentale, è stato fondamentale replicare il potenziale gravitazionale di una stella al centro di un disco protoplanetario nel modo più accurato possibile.

Un esperimento con un design semplice ha fornito la soluzione a questo compito.

Il contenitore dell’acqua è costituito da due cilindri in vetro acrilico trasparente di diverso diametro, posti uno sopra l’altro.

Alla base del cilindro inferiore, largo 15 centimetri, si trova un’uscita centrale.

Due ugelli montati più all’esterno pompano l’acqua in direzioni opposte, parallelamente al fondo del serbatoio. La pompa è un dispositivo per acquari disponibile in commercio.

Il flusso d’acqua provoca la rotazione del fluido, formando un vortice la cui superficie si estende dal fondo della vasca fino alla parete del cilindro superiore, largo 50 centimetri.

La zona sperimentale utilizzabile inizia a circa 3 centimetri dal centro e si estende quasi fino al bordo della vasca.

La forma del tornado d’acqua soddisfa la proprietà richiesta di imitare un campo gravitazionale.

Come previsto, molte delle orbite non erano conformi alla prima legge di Keplero, che afferma che gli oggetti celesti seguono percorsi ellittici.

Le configurazioni sperimentali a forma di imbuto tendono generalmente a produrre traiettorie a spirale o non chiuse.

Questa limitazione, tuttavia, può essere mitigata scalando in modo appropriato il disegno sperimentale.

La prossima versione dell’esperimento sarà quindi significativamente più grande.

In media, tuttavia, le altre due leggi di Keplero sembravano descrivere bene il moto delle particelle.

La seconda legge afferma che una linea che collega un pianeta al corpo centrale spazza aree uguali in intervalli di tempo uguali, il che implica che la velocità orbitale è più alta vicino all’oggetto centrale.

Le orbite dei tornado d’acqua hanno mostrato un comportamento simile, anche se con fluttuazioni temporali minori.

La terza legge di Keplero stabilisce una relazione matematica tra il periodo orbitale e la dimensione orbitale.

Anche le perline del tornado d’acqua si conformavano strettamente a questo modello.

Un’analisi più dettagliata ha anche mostrato che i parametri idrodinamici del tornado d’acqua corrispondono strettamente a quelli che si trovano tipicamente nei dischi protoplanetari.

I ricercatori concludono che particelle sufficientemente piccole introdotte nel vortice di laboratorio dovrebbero comportarsi in modo simile ai grani di polvere in ambienti a disco reali.

La configurazione qui descritta è un prototipo, destinato a dimostrare la fattibilità generale e il potenziale di questo approccio per la ricerca astronomica.

“I risultati attuali di questo esperimento analogico sono impressionanti”, afferma Mario Flock, che guida gli studi computazionali sui dischi di formazione planetaria presso l’MPIA.

“Sono fiducioso che, con alcune modifiche, possiamo perfezionare il modello del tornado d’acqua e avvicinarlo all’applicazione scientifica”.

Gli scienziati sperano che, ottimizzando la forma del contenitore, possano ridurre la turbolenza, portando a una superficie più calma e a flussi più stabili.

Ciò consentirebbe una caratterizzazione più precisa delle proprietà desiderate dell’esperimento.

Immagine: T. Müller (MPIA/HdA – CC BY-SA 4.0)

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