Des chercheurs de l'Université de Greifswald et du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) de Heidelberg (tous deux en Allemagne) ont développé une configuration expérimentale prototype qui simule les propriétés d'écoulement à l'aide d'une tornade d'eau pour étudier les processus physiques clés dans les disques protoplanétaires. La configuration est peu coûteuse et facile à construire.
Les planètes se forment dans des disques de gaz et de poussière
Des disques d'accrétion existent dans tout l'univers en différentes tailles. Une caractéristique commune est que le gaz orbite un objet central dont la gravité affecte la matière environnante. Une partie du gaz s'enfuit progressivement vers l'intérieur, augmentant la masse du corps central.
Les disques d'accrétion entourent également les jeunes étoiles. Le gaz est mélangé à des particules solides microscopiques, que les astronomes appellent la poussière. Ces particules restent ensemble et peuvent progressivement se développer en objets de taille des milliers de kilomètres: les précurseurs des planètes. Ces processus complexes, qui incluent à la fois des orbites ordonnés et des tourbillons compacts, se produisent sur une large gamme d'échelles et sont difficiles à observer directement.
Les chercheurs se tournent donc souvent vers des simulations pour reproduire les processus en utilisant des formulations mathématiques de lois physiques. Cependant, il est difficile pour de telles simulations de capturer toutes les échelles pertinentes sur des périodes prolongées. De plus, les résultats de la simulation doivent être comparés aux observations, car les artefacts de calcul peuvent déformer le résultat.
Expérience analogique complète la simulation
Le modèle de tornade d'eau nouvellement développé peut fournir un moyen élégant de s'attaquer à certaines de ces limitations. Contrairement aux tentatives précédentes pour créer de telles expériences analogiques, la nouvelle approche offre deux avantages clés. Tout d'abord, il permet à une large gamme radiale d'être simulée, tandis que les modèles antérieurs étaient limités à des zones étroites en forme de bague.
« Deuxièmement, les mouvements et les flux ressemblent étroitement à ceux observés dans les disques et les systèmes planétaires de formation de planète », explique Stefan Knauer de l'Université de Greifswald. Certains des principes physiques fondamentaux régissant les orbites planétaires ont été formulés au début du XVIIe siècle par Johannes Kepler et s'appliquent également au gaz dans un disque. Les tests initiaux ont montré que ces lois se maintiennent également en grande partie dans le modèle de tornade d'eau.
Ces résultats, maintenant publiés dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society: Lettrespourrait améliorer les simulations en abordant des aspects qui restent cachés à l'observation directe et fournissent une nouvelle compréhension. Un domaine d'intérêt particulier est la façon dont les particules de poussière et le gaz interagissent les uns avec les autres d'une manière qui favorise la formation de la planète.
Un réservoir d'eau utilisant des composants d'aquarium
Lors de la conception de la configuration expérimentale, il était crucial de reproduire le potentiel gravitationnel d'une étoile au centre d'un disque protoplanétaire aussi précisément que possible. Une expérience avec une conception simple a fourni la solution à cette tâche.
Le récipient à eau se compose de deux cylindres en verre acrylique transparents de différents diamètres, placés l'un sur l'autre. À la base du cylindre inférieur de 15 centimètres de large se trouve une prise centrale. Deux buses montées plus loin de l'eau de pompe dans des directions opposées, parallèlement au sol du réservoir. La pompe est un appareil d'aquarium disponible dans le commerce.
Le débit d'eau fait tourner le fluide, formant un vortex dont la surface s'étend du bas du réservoir à la paroi du cylindre supérieur de 50 centimètres de large. La zone expérimentale utilisable commence à environ 3 centimètres du centre et s'étend presque jusqu'au bord du réservoir. La forme de la tornade d'eau remplit la propriété requise pour imiter un champ gravitationnel.
La tornade d'eau imite un disque protoplanétaire
Pour analyser le comportement d'écoulement à la surface de l'eau, l'équipe de recherche a introduit de petites billes de polypropylène dans le vortex. Comme ce matériau a une densité similaire à l'eau, les perles sont restées près de la surface et ont été transportées par le mouvement tourbillonnant. Leurs positions ont été enregistrées à l'aide d'une caméra à grande vitesse et un algorithme informatique a été utilisé pour calculer leurs trajectoires.
Comme prévu, bon nombre des orbites ne se sont pas conformes à la première loi de Kepler, qui stipule que les objets célestes suivent les chemins elliptiques. Les configurations expérimentales en forme d'entonnoir ont généralement tendance à produire des trajectoires en spirale ou non fermée. Cette limitation, cependant, peut être atténuée en étendant de manière appropriée la conception expérimentale. La prochaine version de l'expérience sera donc beaucoup plus grande.
En moyenne, cependant, les deux autres des lois de Kepler semblaient décrire bien le mouvement des particules. La deuxième loi stipule qu'une ligne reliant une planète au corps central balaie des zones égales par intervalles de temps égaux, ce qui implique que la vitesse orbitale est la plus élevée près de l'objet central. Les orbites de tornade d'eau présentaient un comportement similaire, mais avec des fluctuations temporelles mineures.
La troisième loi de Kepler établit une relation mathématique entre la période orbitale et la taille orbitale. Les perles de la tornade d'eau se conforment également étroitement à ce modèle.
Une analyse plus détaillée a également montré que les paramètres hydrodynamiques de la tornade d'eau correspondent étroitement à ceux qui sont généralement trouvés dans les disques protoplanétaires. Les chercheurs concluent que des particules suffisamment petites introduites dans le vortex de laboratoire devraient se comporter de manière similaire aux grains de poussière dans des environnements disque réels.
Du prototype à l'expérience raffinée
La configuration décrite ici est un prototype, destiné à démontrer la faisabilité générale et le potentiel de cette approche pour la recherche astronomique.
« Les résultats actuels de cette expérience analogique sont impressionnants », explique Mario Flock, qui mène des études informatiques sur les disques formant des planètes chez MPIA. « Je suis convaincu qu'avec quelques modifications, nous pouvons affiner le modèle de tornade d'eau et le rapprocher de l'application scientifique. Nous espérons que cette nouvelle expérience analogique offrira un aperçu de la façon dont les processus se déroulent sur de vastes distances dans les disques de formation de planète. »
Les scientifiques espèrent qu'en optimisant la forme du conteneur, ils peuvent réduire la turbulence, conduisant à une surface plus calme et à des flux plus stables. Cela permettrait une caractérisation plus précise des propriétés souhaitées de l'expérience.
