گاهی سادهترین راه برای درک فیزیک یک پدیده، ساختن یک مدل فیزیکی از آن است. اما چطور میتوان از سامانهای به بزرگی یک قرص پیشسیارهای (protoplanetary disc) مدل ساخت؟ یکی از روشهایی که در مقالهای تازه در نشریه Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters پیشنهاد شده، بهاندازهای ساده است که هر دانشآموزی در کلاس علوم با آن آشناست: آب را خیلی سریع در یک دایره بچرخانید!
البته سامانهای که پژوهشگران مؤسسه اخترفیزیک ماکس پلانک و دانشگاه گرايفسوالد طراحی کردند، بسیار پیچیدهتر از آزمایش گردباد بطری است که بسیاری از کودکان انجام میدهند، اما ایدهی اصلی همان است. در یک قرص پیشسیارهای، گاز و غباری که در نهایت سیارات را شکل میدهند، بهدور ستارهی تازه متولدشده میچرخند و در این رقص گرانشی بهتدریج به هم میپیوندند تا دانههای سیارهای یا پروتوپلنتها را بسازند—هستههای اولیهی سیارات آینده. گردباد آبی نیز بسیاری از ویژگیهای مشابه را دارد، و مرکز گردباد مانند نقطهی گرانشی مرکزی سامانه عمل میکند.
در گذشته، چنین سامانههایی معمولاً بهصورت شبیهسازیهای عددی بررسی میشدند، نه مدلسازی فیزیکی. اما شبیهسازی برخورد و تجمع ذرات گرد و غبار در مقیاسی بزرگ از نظر محاسباتی بسیار دشوار است. افزون بر آن، شبیهسازیها باید با دادههای تجربی مقایسه شوند، که دستیابی به آنها چندان آسان نیست—بهویژه با توجه به محدودیت در زمان مشاهده با تلسکوپهای قدرتمند.
در مقابل، گردبادهای آبی را میتوان در هر زمان ساخت و تا هر مدتی نگه داشت. این نخستینبار هم نیست که از چنین سامانهای برای شبیهسازی شکلگیری سیارات استفاده میشود. با این حال، نسخههای پیشین محدود به ناحیههایی حلقهای بودند که کاربرد آنها را کم میکرد. سامانهی جدید، از نظر شکل و رفتار، شباهت بیشتری به قرصهای واقعیِ در حال ساخت سیاره دارد.
از دید مهندسی، ساخت این مدل نسبتاً ساده بود: دو استوانهی شفاف با اندازههای متفاوت بهصورت عمودی روی هم قرار گرفتند، بهطوریکه استوانهی بزرگتر در بالا باشد. یک لولهی خروجی در پایین استوانهی کوچکتر قرار دارد، و دو نازل، آب را بهصورت افقی با استفاده از پمپ آکواریومی وارد استوانهی پایینی میکنند. وقتی فشار جریان آب کافی باشد، آب از استوانهی پایین به استوانهی بالایی سرریز میکند—و همینجاست که “جادو” آغاز میشود.
برای آزمایش دستگاه، پژوهشگران تعدادی مهره را به درون گردباد انداختند و مسیر حرکت آنها را ثبت کردند تا ببینند چقدر با دادههای مشاهداتی تطابق دارد. آنها با استفاده از دوربینهای پرسرعت، موقعیت مهرهها را بهطور مکرر ثبت کردند و سپس الگوریتمی را اجرا کردند تا مسیر حرکت هر مهره را بهدست آورند.
«یوهانس کپلر» در اوایل دهه ۱۶۰۰ قوانین حرکت سیارات را تدوین کرد، و یکی از راههای ارزیابی این مدلها، بررسی میزان تطابق آنها با قوانین کپلر است. گردباد آبی جدید در مورد قانون دوم و سوم کپلر عملکرد خوبی داشت—یعنی سیاره (یا در اینجا مهره) در زمانهای برابر، مساحتهای برابر را طی میکند، و بین دورهی مداری و فاصلهی مداری رابطهی مشخصی برقرار است. مهرهها در این آزمایشها بهخوبی از این قوانین پیروی کردند.
اما، مانند دیگر آزمایشهای مبتنی بر گردباد، مدل در تطابق با قانون اول کپلر (حرکت در مسیر بیضوی) مشکل داشت. مهرهها در گردبادهای کوچکتر، مسیرهایی شبیه به مارپیچ را طی میکنند. البته این مشکل قابل رفع است: با بزرگ کردن سامانه میتوان جریان را پایدارتر کرد و مسیرهای بیضوی واقعی بهوجود آورد.
این دقیقاً برنامهی آیندهی پژوهشگران است: آنها میخواهند مدل را در مقیاسی بزرگتر بازسازی کنند تا مسیرهای بیضوی بهطور طبیعی درون گردباد شکل بگیرند. اما این موضوع به مقالهای دیگر مربوط خواهد شد. فعلاً آنها به آزمایش نسخهی کوچکتر و رومیزی ادامه میدهند—و در عین حال یکی از محبوبترین آزمایشهای علمی کودکی را دوباره زنده نگه میدارند.
