Znanstvenici su prvi put u laboratoriju dokazali postojanje posebnog stanja strujanja koje se teorijski predviđa u unutrašnjosti brzo rotirajućih zvijezda i planeta, čime je zatvoren višedesetljetni jaz između teorije i eksperimenta.
Međunarodni tim predvođen Sveučilištem Kalifornije u Los Angelesu (UCLA) proveo je eksperiment s tekućim galijem u rotirajućem laboratorijskom postavu. Rezultati, objavljeni u časopisu Physical Review Letters, potvrđuju takozvani režim bez difuzivnosti — stanje u kojem velika strujanja određuju gotovo isključivo uzgon i rotacija, dok viskoznost i toplinska vodljivost postaju zanemarive. Dr. Jewel Abbate s UCLA, koja je istraživanje provela u sklopu doktorskog studija, kaže da eksperiment “prvi put u laboratoriju demonstrira ovo teorijski predviđeno stanje”, što znatno jača povjerenje u modele kojima se opisuju procesi unutar zvijezda i planeta.
Problem koji je desetljećima mučio fizičare
Konvekcija — podizanje vrućeg i spuštanje hladnijeg materijala — pokreće toplinsko strujanje u unutrašnjosti nebeskih tijela i generira Zemljino magnetsko polje. Teorijski modeli već dugo pretpostavljaju da konvekcija u brzo rotirajućim tijelima djeluje upravo u režimu bez difuzivnosti. No klasični laboratorijski eksperimenti nikada to nisu mogli potvrditi jer su se na stijenkama posuda stvarali toplinski granični slojevi koji su mijenjali strujanje i prikrivali njegovo pravo stanje.
Ključni proboj donijela je upotreba tekućeg galija i posebnog oscilirajućeg načina strujanja koji se javlja isključivo u tekućim metalima. Za razliku od klasične stacionarne konvekcije, taj način ne određuju toplinski granični slojevi na stijenkama posude, nego temperaturni gradijent unutar same tekućine. Time su istraživači uspjeli stvoriti uvjete koje modeli predviđaju već desetljećima.
Trostruka potvrda rezultata
Dr. Tobias Vogt s Instituta za dinamiku fluida Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sudjelovao je u mjerenjima tijekom dva boravka na UCLA. Za provjeru rezultata istraživači su usporedili tri nezavisne mjere s teorijskim predviđanjima: prijenos topline, brzinu strujanja i fluktuacije temperature unutar tekućine. Sve tri vrijednosti kvantitativno su se podudarale s modelima, a rezultate su dodatno potvrdile i numeričke simulacije visoke razlučivosti.
“Ono što naš rad čini posebno uvjerljivim jest činjenica da se teorija, eksperiment i numeričke simulacije sada kvantitativno slažu”, ističe Vogt. “To nam daje daleko veće povjerenje u primjenu tih modela na unutrašnjost planeta i zvijezda.”
Ovo otkriće otvara nova vrata laboratorijskim istraživanjima dinamike unutrašnjosti nebeskih tijela. No postavlja se i pitanje koje izvor ne postavlja: ako se temeljni fizički modeli sada mogu eksperimentalno provjeravati, koliko će to ubrzati razumijevanje procesa koji oblikuju magnetska polja planeta — i može li se to znanje primijeniti na predviđanje svemirskog vremena koje izravno utječe na našu tehnološku infrastrukturu? U svijetu u kojem se sve više oslanjamo na satelite i električnu mrežu, razumijevanje tih procesa prestaje biti čista akademska radoznalost i postaje pitanje praktične otpornosti.