Naukowcy mają problem z modelowaniem zdarzeń kosmicznych w laboratoriach: grawitacja ziemska ma tendencję do przeszkadzania, co utrudnia replikację środowisk z dala od naszej planety.

Niedawno zaproponowane rozwiązanie ma postać maleńkiej szklanej kuli o średnicy zaledwie 3 centymetrów (nieco ponad cal). Pomimo swoich rozmiarów, piłka dość dobrze symuluje kluczowe siły otaczające gigantyczne planety i gwiazdy.

Wykorzystując fale dźwiękowe jako substytut sił grawitacyjnych, naukowcy mogą gromadzić kluczowe dane na temat powstawania i zachowania pogody kosmicznej, takiej jak rozbłyski słoneczne, które mogą mieć wpływ na loty kosmiczne, satelity i życie na Ziemi.

„Pola dźwiękowe działają jak grawitacja, przynajmniej jeśli chodzi o napędzanie konwekcji w gazie” – mówi fizyk John Koulakis z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA).

„Dzięki zastosowaniu dźwięku generowanego przez mikrofale w kulistej kolbie gorącej plazmy uzyskaliśmy pole grawitacyjne, które jest 1000 razy silniejsze niż grawitacja ziemska”.

Gaz siarkowy wewnątrz kuli został podgrzany do temperatury 5000 stopni Fahrenheita (czyli 2760 stopni Celsjusza), aby wytworzyć fale dźwiękowe, które działały jak niezwykle silne przyciąganie grawitacyjne, generując prądy w gorącym, słabo zjonizowanym gazie (lub plazmie).

Efektem końcowym była konwekcja plazmy, w której gaz ochładza się, gdy zbliża się do powierzchni ciała, takiego jak planeta, przed opadnięciem z powrotem w kierunku jądra, gdzie ponownie się nagrzewa i ponownie wznosi. Przepływający gaz wytwarza własne pole magnetyczne, które w gwiazdach stanowiłoby podstawę różnych form pogody kosmicznej.

Wiele warunków wewnątrz szklanej kuli, takich jak sposób utrzymywania najgorętszej plazmy w środku kuli, przypominało mechanizmy, które teoretycznie występują w gwiazdach. Tego rodzaju wynik był wcześniej bardzo trudny do odtworzenia w laboratorium, ale teraz został uchwycony przez kamerę.

„Ludzie byli tak zainteresowani modelowaniem konwekcji sferycznej za pomocą eksperymentów laboratoryjnych, że faktycznie przeprowadzili eksperyment w promie kosmicznym, ponieważ nie mogli uzyskać wystarczająco silnego centralnego pola siłowego na ziemi” – mówi fizyk Seth Putterman z UCLA.

Podstawa badań faktycznie pochodzi z badań nad lampami, dźwiękiem i gorącymi kulami gazu, a nie z czymkolwiek bezpośrednio związanym z przestrzenią. Ta nowo odkryta zdolność do kontrolowania ruchu plazmy za pomocą energii akustycznej może być również przydatna w wielu innych dziedzinach, w tym w badaniach naszej własnej planety.

Następnym krokiem zespołu jest zwiększenie skali eksperymentu, aby lepiej odpowiadał warunkom w przestrzeni (zwłaszcza pod względem temperatury) oraz zbadanie innych aspektów symulacji. Zasadniczo zespół musi przyjrzeć się eksperymentowi bardziej szczegółowo i sprawić, by trwał dłużej.

Obecnie obserwujemy pewne rodzaje konwekcji wokół gwiazd i planet, które są zbyt trudne do odtworzenia nawet przy użyciu najpotężniejszych komputerów. Przy większym rozwoju ten rodzaj eksperymentu mógłby podjąć się zadania.

„Pokazaliśmy, że nasz system dźwięku generowanego przez mikrofale wytwarzał grawitację tak silną, że grawitacja ziemska nie była czynnikiem” – mówi Putterman. „Nie musimy już lecieć w kosmos, aby przeprowadzać te eksperymenty”.

Badania zostały opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego.