Образец жидкого галлия в центрифуге на лабораторном столе помог ученым проверить, что происходит глубоко внутри звезд и планет.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Заглянуть в сердце звезды напрямую невозможно. Поэтому физики пошли обходным путем: попытались воспроизвести ключевые процессы в лаборатории. Международная команда под руководством специалистов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые экспериментально подтвердила особый режим движения вещества, который должен существовать внутри быстро вращающихся звезд и планет. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Для эксперимента использовали жидкий галлий и специальную центрифугу. Выбор металла оказался не случайным: галлий плавится при температуре +29,76C° (при желании его можно безопасно растопить прямо в ладони), и в нем возникает специфический колебательный режим течения, характерный не для всех жидких металлов. В отличие от обычной конвекции, здесь движение определяется температурным градиентом внутри жидкости, а не процессами у стенок сосуда. Это позволило исследователям наконец добраться до режима, который десятилетиями оставался практически недоступным для лабораторной проверки.

Речь идет о так называемой бездиффузионной турбулентности. Звучит так, будто физики специально придумали термин, чтобы запутать всех остальных, но идея довольно проста: при очень быстром вращении крупномасштабное движение вещества определяется главным образом текучестью и скоростью вращения, тогда как вязкость и теплопроводность становятся почти несущественными. Именно такой режим предполагают модели внутреннего устройства звезд и планет.

Три проверки — и теория не подвела

Чтобы убедиться, что лабораторная жидкость действительно ведет себя так, как предсказывает теория, ученые сравнили сразу три параметра: эффективность переноса тепла, скорость движения жидкости и колебания температуры внутри нее.

Результат впечатлил: все три показателя количественно совпали с теоретическими расчетами. Дополнительные численные симуляции также подтвердили экспериментальные данные. Иными словами, теория, физический эксперимент и компьютерное моделирование впервые сошлись настолько четко, что исследователи получили основание применять эти модели к недрам реальных звезд и планет.

Почему это важно? Конвекция внутри небесных тел отвечает за перенос тепла: горячее вещество поднимается, холодное опускается. Такие движения участвуют, в частности, в процессах, связанных с формированием магнитного поля Земли, а также влияют на динамику звезд. Теперь у физиков появилась экспериментальная опора для проверки моделей этих процессов, а не только математические расчеты.

О жидких металлах

Самый известный жидкий металл — ртуть. Она замерзает при -38,9° C, а кипит при +356,73°C. Температура плавления галлия указана выше, а вот вскипятить его удастся лишь при +2204°C. Щелочной металл цезий плавится при +28,7°C, но в руки его лучше не брать. Кипит цезий при +670°C. Есть еще условно жидкий щелочной металл франций, но этот радиоактивный элемент существует в ничтожно малых количествах и живет крайне недолго. Период полураспада 223Fr составляет 22 минуты. Жидкий (равно как и твердый) франций в весовых количествах никто не видел, ученые работали лишь с микроскопическими образцами, содержащими не более 200 тысяч атомов франция.  

Похожая тема уже появлялась на страницах Hi-Tech Mail. В недавнем материале издание рассказывало о механизме потери устойчивой текучести жидких металлов. В том случае речь шла о магнитной гидродинамике и моделировании процессов для энергетики и металлургии.

ХимияФизикаПоделиться