Sound imitiert die Schwerkraft in einem Experiment, das die Konvektion in Sternen und Planeten simuliert

Im Labor wurden Schallwellen verwendet, um die Rolle nachzuahmen, die die Schwerkraft beim Antreiben der Konvektion in riesigen rotierenden Körpern wie Sternen und Planeten spielt. Das neue Experiment wurde erstellt von Seth Puttermann und Kollegen an der University of California in Los Angeles und ermöglichte es den Forschern, schwerkraftgetriebene Zirkulationsmuster zu erstellen.

Die Konvektion innerhalb rotierender Planeten und Sterne spielt eine wichtige Rolle in der internen Dynamik dieser riesigen Objekte. Hier auf der Erde zum Beispiel wird angenommen, dass die Konvektion im äußeren Kern das Magnetfeld unseres Planeten erzeugt und die Konvektion in der Atmosphäre die Wettermuster antreibt. In der Sonne wird angenommen, dass Konvektion für die Entstehung von Sonneneruptionen verantwortlich ist.

Einige Aspekte der stellaren und planetaren Konvektion sind mit Computern schwer zu simulieren. Stattdessen haben Forscher versucht, kleine Versionen dieser Konvektion im Labor zu erzeugen. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, eine Radialkraft mit der angemessenen Stärke zu erzeugen, um die Rolle der Schwerkraft zu spielen. Tatsächlich sind einige Forscher so weit gegangen, ihr Experiment auf der Internationalen Raumstation durchzuführen, um zu versuchen, eine nützliche Kraft zu schaffen.

Mikrowellenheizung

Zurück auf der Erde verwendet das neue Experiment von Putterman und seinen Kollegen einen rotierenden Kugelkolben, der mit einem schwach ionisierten Schwefelgas gefüllt ist. Das Gas wird mit Mikrowellen erhitzt, wodurch das Gas in der Mitte des Kolbens wärmer ist als das kühlere und dichtere Gas am Rand des Kolbens.

Das Team moduliert dann die Mikrowellen, um Schallwellen innerhalb der Glühbirne zu erzeugen. Wenn die Schallwellen das Gas passieren, erzeugt der Dichtegradient eine radiale Kraft, die dazu neigt, das kühle Gas am Rand des Kolbens in Richtung Zentrum zu ziehen – so wie die Schwerkraft eine Flüssigkeit in Richtung des Zentrums eines Planeten zieht.

Konvektionszellen von der Größe von Texas blenden mit Klarheit auf der Sonne

Wenn sich der Kolben dreht, wird das sich nach innen bewegende kühle Gas durch wärmeres Gas ersetzt, das sich zum Rand des Kolbens bewegt. Dies führt zur Bildung eines Musters von Konvektionszellen, die die Rotationsachse des Kolbens umgeben. Durch die sorgfältige Abstimmung ihres Aufbaus konnte Puttermans Team unverwechselbare Konvektionsmuster erzeugen, die Zellen zirkulierender Flüssigkeit aufweisen, die die Muster stark nachahmen, von denen angenommen wird, dass sie in Sternen und Planeten existieren.

Durch die weitere Anpassung dieser Technik hofft das Team, dass zukünftige Studien die schwerkraftgetriebene Konvektion mit weitaus größerer Genauigkeit simulieren könnten als bestehende Aufbauten – und ihnen helfen, die entscheidende Rolle, die die Konvektion in Systemen mit großer Zirkulation spielt, besser zu verstehen.

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/sound-mimics-gravity-in-experiment-that-simulates-convection-in-stars-and-planets/