Американские физики изучили конвекцию горячего газа в сферической вращающейся колбе, вызванную действием акустических сил. Такая система моделирует перемещение вещества внутри звезд или газовых гигантов под действием гравитации. Сделанный эксперимент поможет лучше изучать солнечную конвекцию в лабораторных условиях. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Конвекция в сферическом вращающемся теле — это крайне распространенное и важное физическое явление, лежащее в основе процессов в звездах, газовых гигантах и даже атмосфере Земли. Например, именно конвекция ответственна за формирование красивых конвективных ячеек на поверхности Солнца, и в целом формирует наблюдаемую космическую погоду. Всплытие и погружение газа в процессе циркуляции вызвано действием гравитации.
Конвекцию в небесных телах исследуют по большей части с помощью астрофизических наблюдений и компьютерных симуляций. Возможности последнего ограничены, поэтому физики стараются создавать модельные системы, улавливающие основные закономерности конвекции. В таких системах в роли гравитации выступают иные силы, действующие на газ схожим образом, например, термовибрационные или диэлектрофоретические.
Главной трудностью на этом пути оказывается влияние настоящей — земной — гравитации на ход эксперимента, которая, как правило, существенно сильнее искусственной. Из-за этого эксперимент часто приходится переносить на орбиту, что сопровождается дополнительными сложностями и затратами.
Однако на газ можно воздействовать и другим способом — звуком. В 2018 году группа физиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Сета Паттермана (Seth Putterman) выяснила, что звуковое давление на участки газа с градиентом плотности может тысячекратно превышать гравитационное влияние Земли. Этот факт позволил им недавно наблюдать конвекцию газа во вращающейся сферической колбе за счет искусственной акустической гравитации.
Использование звуковых волн в роли источника силы известно давно и активно применяется для акустической левитации (подробнее об этом читайте в материале «Левитация для маглов»). В его основе лежит рассеяние волн на границе между воздухом и частицей. В газе или плазме четких границ нет, однако этот эффект все равно имеет место. Физики увидели, что акустическая сила пропорциональна плотности газа, и этим она похожа на настоящую гравитацию.
В роли модельной системы в работе группы Паттермана выступила серная лампа, выполненная в виде вращающейся сферической колбы диаметром три сантиметра и помещенная в микроволновой резонатор. Физики изготавливали стенки резонатора из шестиугольной сетки, что позволяло снимать процессы в лампе с помощью высокоскоростной камеры. Микроволны, в свою очередь, были нужны для первичного нагрева и частичной ионизации газа, а также для создания градиента температуры с помощью модуляции частоты. Важным при этом было то, что микроволновая мода обладала сферической симметрией, которую унаследовали акустические силы.
Эксперименты показали, что в первые миллисекунды с начала модуляции акустическая сила делит колбу на две части. Во внешней части она заставляет горячий газ двигаться к стенкам камеры, где тот остывает и перемещается обратно с образованием вихрей. Во внутренней области же горячий газ занимает центр и не смещается.
Физики исследовали характер конвекции в зависимости от глубины модуляции. Пока она оставалась большой, потоки газа сохраняли высокую степень структурированности. В определенный момент на видеозаписи, сделанной сбоку, можно было разглядеть восьмиконечную звезду. Когда же глубина модуляции опускалась ниже 40 процентов акустическая гравитация становилась сопоставимой с центростремительными силами, из-за чего картина становилась менее выраженной. Авторы надеются, что их работа послужит отправной точкой для лабораторного исследования конвекции в звездах и планетах на новом уровне точности.
Физики все чаще применяют акустические волны, чтобы исследовать гравитационные эффекты. Например, рождение фононов в бозе-конденсате позволяет исследовать свойства хокинговского излучения и изучать расширение вселенных.