Lyd efterligner tyngdekraften i et eksperiment, der simulerer konvektion i stjerner og planeter

Lyd efterligner tyngdekraften i et eksperiment, der simulerer konvektion i stjerner og planeter

Tidsstempel: 28. februar 2023 kl. 2:36

Konvektionsceller
Radial kraft: billede af den roterende, gasfyldte pære med overlejrede linjer og pile, der viser konvektionscellerne. (Med høflighed: J Koulakis et al/Physical Review LettersI/i>)

Lydbølger er blevet brugt i laboratoriet til at efterligne den rolle, som tyngdekraften spiller i at drive konvektion i enorme roterende legemer såsom stjerner og planeter. Det nye eksperiment blev skabt af Seth Putterman og kolleger ved University of California Los Angeles, og det gjorde det muligt for forskerne at skabe tyngdekraftsdrevne cirkulationsmønstre.

Konvektion inden for roterende planeter og stjerner spiller en vigtig rolle i den indre dynamik af disse enorme objekter. Her på Jorden menes for eksempel konvektion i den ydre kerne at skabe vores planets magnetfelt, og konvektion i atmosfæren driver vejrmønstre. I Solen menes konvektion at være ansvarlig for at skabe soludbrud.

Nogle aspekter af stjernernes og planetariske konvektion er svære at simulere ved hjælp af computere. I stedet har forskere forsøgt at skabe små versioner af denne konvektion i laboratoriet. Det har dog vist sig udfordrende at skabe en radial kraft med den passende styrke til at spille tyngdekraftens rolle. Nogle forskere er faktisk gået så langt som at lave deres eksperiment på den internationale rumstation for at forsøge at skabe en nyttig kraft.

Mikrobølgeovn opvarmning

Tilbage på jorden bruger Putterman og kollegas nye eksperiment en roterende sfærisk pære, der er fyldt med en svagt ioniseret svovlgas. Gassen opvarmes ved hjælp af mikrobølger, og dette får gassen i midten af ​​pæren til at være varmere end den køligere og tættere gas i kanten af ​​pæren.

Holdet modulerer derefter mikrobølgerne for at skabe lydbølger inde i pæren. Når lydbølgerne passerer gennem gassen, skaber tæthedsgradienten en radial kraft, der har en tendens til at trække den kølige gas ved kanten af ​​pæren mod midten - ligesom tyngdekraften trækker en væske mod midten af ​​en planet.

Når pæren roterer, erstattes den indadgående kølige gas af varmere gas, der bevæger sig mod kanten af ​​pæren. Dette resulterer i dannelsen af ​​et mønster af konvektionsceller, der omgiver pærens rotationsakse. Ved omhyggeligt at justere deres opsætning kunne Puttermans team generere karakteristiske konvektionsmønstre med celler af cirkulerende væske, der stærkt efterligner de mønstre, der menes at eksistere i stjerner og planeter.

Ved at tilpasse denne teknik yderligere håber holdet, at fremtidige undersøgelser kan simulere tyngdekraftsdrevet konvektion med langt større nøjagtighed end eksisterende opsætninger - og hjælpe dem til bedre at forstå den vigtige rolle, som konvektion spiller i systemer med storskala cirkulation.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden