Jak se z prachu rodí planety? Vědci simulovali vesmírnou turbulenci na parabolických letech

Jak se z jemného prachu stávají stavební kameny, které nakonec vytvoří celé planety, jako je Země? Tuto otázku řešil výzkumný tým pod vedením Bernské univerzity, s účastí ETH Curych a Curyšské univerzity.

Jak se z jemného prachu stávají stavební kameny, které nakonec vytvoří celé planety, jako je Země? Tuto otázku řešil výzkumný tým pod vedením Bernské univerzity, s účastí ETH Curych a Curyšské univerzity. Vědci poprvé experimentálně prokázali, že klíčový fyzikální proces známý jako střihová nestabilita skutečně probíhá v podmínkách podobných těm, které panují v oblastech vzniku planet. Objev, získaný během parabolických letů v nulové gravitaci, tak vyplňuje důležitou mezeru v našem chápání prvních kroků formování planet.

Planety se tvoří v protoplanetárních discích, obrovských oblacích plynu a prachu obíhajících kolem velmi mladých hvězd. Od nejjemnějších prachových zrnek až po plně zformované planety probíhá několik odlišných fyzikálních procesů. Na jedné straně se jemné prachové částice srážejí a elektrostaticky shlukují, čímž rostou až do velikosti několika milimetrů. Na druhé straně se planetesimály – kamenná nebo ledová tělesa o velikosti několika stovek metrů až několika kilometrů – srážejí, spojují a agregují, pomalu rostou v planety. Mezi těmito fázemi však existuje „bariéra“ pro růst, která se týká objektů o velikosti od centimetrů do 100 metrů. V těchto velikostech se shluky mají tendenci odrážet, rozpadat se při srážkách nebo se dokonce vypařovat, když se příliš přiblíží ke své hvězdě. Tato bariéra vědce po desetiletí mátla.

Teoretické modely od přelomu století navrhly dodatečný mechanismus, který by mohl tuto mezeru vyplnit. Jelikož se směs plynu a prachu chová jako tekutina, mohou se v ní vyvinout různé hydrodynamické nestability, které způsobí shlukování prachu do hustších oblaků, což vede k tomu, že ty největší nakonec vytvoří planetesimály. Jednou z těchto nestabilit, u které se předpokládá, že hraje zásadní roli, je střihová nestabilita. Ta nastává na rozhraní dvou tekutin s různými vlastnostmi – v tomto případě hlavně rychlostí a hustotou. Zda se však takové střihové nestability skutečně vyskytují za extrémně řídkých plynných podmínek v protoplanetárních discích, nebylo nikdy experimentálně prokázáno. Tým pod vedením Dr. Holly L. Capelo z Bernské univerzity nyní pomocí unikátního experimentu TEMPus VoLA, který využívá mikrogravitační podmínky během parabolických letů, experimentálně ukázal, že střihové nestability se skutečně mohou tvořit – a to i v extrémně řídkém plynu.

Experiment TEMPus VoLA byl navržen a sestaven na Bernské univerzitě ve spolupráci s Curyšskou univerzitou a ETH Curych. Je vybaven vysokorychlostními kamerami, které sledují chování prachových částic v extrémně řídkém plynu za vakuových podmínek. Během parabolických letů, kdy speciálně upravené letadlo opakovaně stoupá a klesá pod úhlem asi 45°, poskytuje každá fáze klesání beztížný stav po dobu přibližně 20 sekund. Tým systematicky upřesňoval a měnil podmínky experimentu, aby zjistil, kdy se střihová nestabilita spustí. Ačkoliv krátká doba beztíže brání pozorování plně vyvinuté turbulence, tým již vyvíjí pokročilejší verzi experimentu pro provoz na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). Tam by mnohem delší období v mikrogravitaci umožnila pozorovat turbulenci, což by přidalo další zásadní dílek do skládačky formování planet.