Базальтовые бусины в невесомости подтвердили вклад трибоэлектричества в формирование планет. Граница между аддитивными и эрозионными ударами оказалась равна 0,5 метра в секунду

Группа ученых провела микрогравитационный эксперимент, отправив в суборбитальный полет кучку базальтовых бусин, которые наэлектризовали с помощью трения, а затем позволили им сталкиваться друг с другом. В результате физики подтвердили гипотезу о влиянии трибоэлектричества на формирование сантиметровых кластеров из частиц в протопланетных облаках, а также оценили пороговую скорость в 0,5 метра в секунду (при превышении этого критического значения шарики не прилипали к кластерам, а разрушали их). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Чтобы планета сформировалась, в какой-то момент в протопланетном диске должен возникнуть гидродинамический режим, в котором объекты объединяются вместе независимо от механических свойств и результатов столкновений. Однако для появления такого режима, как правило, требуются частицы размером в единицы сантиметров, что при стандартных условиях эксперимента проблематично, так как уже при нескольких миллиметрах частицы разрушаются во время столкновения.

Этот барьер можно обойти, если рассмотреть высокую температуру среды или наличие магнитного поля у частиц, которое увеличивает их слипаемость. Еще одним перспективным вариантом стало трибоэлектричество: при столкновении частицы трутся друг о друга, электризуются и после разлета соединяются в новые кластеры, связанные гораздо прочнее благодаря электростатическим силам. При этом точные пороговые значения размеров и скорости столкновения частиц в трибоэлектрической модели ученые до сих пор не выяснили.

Физики из Германии и Швеции под руководством Йенса Тайзера (Jens Teiser) из Университета Дуйсбурга — Эссена решили определить максимальный размер кластеров из мелких частиц, соединенных электростатическими силами, и критическую скорость, при которой новые столкновения еще не разрушают структуру.

Для этого они погрузили на борт ракеты MASER 15 экспериментальную установку, состоящую из вакуумной камеры, заполненной базальтовыми бусинами диаметром полмиллиметра. Стенки камеры ученые также покрыли бусинами, чтобы исключить различия в зарядах частиц, вызванные разными материалами (базальт и стекло или металл камеры) и кривизной поверхностей. За 30 минут до начала полета камеру начали встряхивать, из-за чего все шарики получили некоторый заряд, а во время полета в условиях микрогравитации резервуар открыли и выпустили бусины наружу: поскольку частицы несли на себе положительные и отрицательные заряды, они начали сталкиваться и объединяться в растущие кластеры. Измерив скорости частиц, при которых они объединялись в новые структуры и при которых налетевшая бусина разрушала образовавшийся кластер, физики получили пороговое значение в 0,5 ± 0,1 метра в секунду. Один из самых больших кластеров получился длиной около трех сантиметров, чего, по мнению исследователей, должно быть достаточно для перехода к гидродинамическому режиму в протопланетном диске. Затем ученые подтвердили этот результат с помощью численного моделирования и получили частичное совпадение с экспериментом (расхождение с вычислительными методами физики объяснили использованием простых оценочных формул).

Хотя авторы работы и подчеркнули, что детальное влияние параметров на формирование кластеров пока не до конца известно, они выделили общие тенденции: более мелкие составляющие должны формировать более прочные кластеры благодаря заряду, а структуры размерами порядка сантиметра достаточно трудно разрушить при изученных условиях эксперимента. Помимо этого ученые отметили, что отдельным вопросом стоит сохранение заряда на шариках, так как эксперимент длился около шести минут — и это достаточно сильно отличается от длительности формирования кластеров в реальных протопланетных облаках, где этот срок составляет от нескольких дней до многих лет.

Исследователи не первый раз используют условия микрогравитации для экспериментальной проверки гипотез о формировании планет. О том, как физики смоделировали этот процесс с помощью бусинки и пылинок в невесомости, мы писали ранее.

Источник