Турбулентность в космических газопылевых дисках оценили по-новому.
По современным представлениям звезды и планетные системы образуются из вращающегося газопылевого диска, формируемого гравитацией. Такие диски называются аккреционными, и также возникают вокруг массивных космических объектов – планет, звезд и даже галактик – при падении на них вещества.
Если говорить о молодых звездах или протозвездах, то вокруг них возникают еще и протопланетные диски, из которых впоследствии образуются планеты. Изучение аккреционных и протопланетных дисков – одна из главных задач астрофизики: они помогают объяснить эволюцию космических тел и многие другие астрофизические явления.
Вещество в таком диске не падает к его центру, а движется вокруг него в соответствии с законами Кеплера. Это значит, что диск не вращается как одно целое: слои вещества, расположенные ближе к его центру, имеют большую угловую скорость, чем удаленные. Угловая скорость вращения слоев уменьшается обратно пропорционально расстоянию от центра вращения, возведенному в степень 3/2. Такое движение жидкости или газа получило в физике название кеплеровского сдвигового течения. Из-за трения между слоями газа те из них, что находятся внутри, постепенно замедляются и в итоге падают в центр диска, а сам диск нагревается.
Многочисленные наблюдения показывают, что такие диски находятся в турбулентном состоянии. Однако в случае так называемых холодных дисков, вещество в которых слабоионизировано (практически даже неионизировано), объяснить, почему они турбулентны, непросто – в лаборатории до сих пор никому не удалось заставить неионизованное вещество двигаться турбулентно в кеплеровском течении. Другими словами, кеплеровское течение, в отличие от других известных сдвиговых течений, демонстрирует удивительную устойчивость.
Ламинарный поток, когда жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания, превращается в турбулентный, когда параметр потока, называемый числом Рейнольдса, становится больше некоторого критического значения. Это число пропорционально плотности среды, ее скорости и размерам потока. Мы знаем, что кеплеровское течение может быть устойчивым при очень больших числах Рейнольдса – вплоть нескольких миллионов. Однако в реальных космических дисках число Рейнольдса может достигать значений в десятки миллиардов.
Турбулентность не может существовать без растущих вихревых флуктуаций (возмущений) скорости и давления. Особые разновидности подобных флуктуаций представляют собой спирали, раскручивающиеся под воздействием вращения вещества с разной скоростью слоев. Астрофизики Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга при МГУ впервые показали, что такие флуктуации способны поддерживать турбулентность с размерами, значительно превышающими толщину диска.
Исследователи предположили, что кеплеровское течение жидкости или газа переходит в турбулентное состояние в еще не исследованном диапазоне значений числа Рейнольдса. Использовав различные численные и аналитические методы, в том числе новый для астрофизики метод поиска флуктуаций с наиболее сильным ростом амплитуды, авторы работы сумели предсказать, каким может оказаться число Рейнольдса, соответствующее переходу к турбулентности как в кеплеровских, так и в сверхкеплеровских потоках. (Сверхкеплеровскими потоками называются те, в которых изменение скорости слоев при удалении от центра еще больше. В аккреционных дисках такое случается.) Полностью результаты исследования опубликованы в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Авторы работы надеются, что в скором времени гидродинамическую неустойчивость кеплеровского потока удастся увидеть и в эксперименте. Сами они в ближайшем будущем планируют с помощью компьютерного моделирования проанализировать, как именно стабилизируется сдвиговый поток, когда зависимость угловой скорости от расстояния переходит от так называемого циклонического типа, когда угловая скорость всех слоев одинакова, к кеплеровскому. Это, в свою очередь, поможет лучше понять поведение самого кеплеровского потока.
