Forskere studerer problemet med hydrodynamisk stabilitet af Keplerian flow

Forskning fra Sternberg Astronomical Institute, Lomonosov Moskva statsuniversitet, har fokuseret deres indsats på et af de store teoretiske spørgsmål inden for moderne astrofysisk væskedynamik, som er stabiliteten af ​​Keplersk forskydningsstrøm af væske eller gas. Resultaterne er tilgængelige i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society tidsskrift.

Keplerian flow er allestedsnærværende i rummet. Det vises i accretion og protoplanetariske skiver, hvor fluid roterer differentielt, så dets vinkelhastighed falder omvendt til afstanden fra rotationsaksen til tre-halvdelens effekt.

Dr. Viacheslav Zhuravlev fra Lomonosov Moscow State University og forfatteren af ​​papiret siger, "Tallige observationer afslører, at både tilvækst og protoplanetariske skiver er i en turbulent tilstand. Ikke desto mindre, ingen har hidtil formået at modellere eller simulere turbulent Kepler-strøm af ikke-ioniseret stof under laboratorieforhold. Med andre ord, i modsætning til de andre kendte forskydningsstrømme, Keplerian flow manifesterer fantastisk ikke-lineær dynamisk stabilitet. Til dato, denne stabilitet er blevet kontrolleret op til Reynolds-tallet på adskillige millioner. Imidlertid, i rigtige astrofysiske diske, Reynolds-tallet kan være så højt som titusinder af milliarder."

I projektet, forfatterne antager, at Keplerian flow bryder ind i en turbulent tilstand ved det Reynolds-tal, der endnu ikke er opnået i forskningen. Da turbulens ikke kan eksistere i fravær af voksende forstyrrelser af hastighed og tryk, de overvejer i detaljer, hvor stor vækstfaktoren af ​​forbigående voksende forstyrrelser kan være. Generelt, disse forstyrrelser opstår i form af spiraler, der afvikles ved den differentielle rotation af bulkstrømmen.

Viacheslav Zhuravlev siger, "Vi har for første gang formået at vise, at sådanne forstyrrelser er i stand til at opretholde turbulens også ved skalaer, der væsentligt overstiger skivetykkelsen. Derudover, vi forudsiger en værdi af Reynolds-tallet svarende til overgang til turbulens både i Kepler- og super-Kepler-strømme."

Forskerne har løst de lineariserede Navier-Stokes-ligninger både numerisk og analytisk. I øvrigt, for første gang i astrofysisk videnskabelig litteratur, de har anvendt en såkaldt variationstilgang for at bestemme de optimale forstyrrelser, der viser den højest mulige vækst af amplitude.

Forskeren opsummerer:"Vi skal udføre et sæt specielle computersimuleringer, som vil hjælpe med at afsløre en nøjagtig mekanisme for forskydningsflowstabiliseringen i modelsituationen, når vinkelhastighedsprofilen udvikler sig fra en såkaldt cyklontype til den keplerske type. På tur, dette vil bidrage til en bedre forståelse af adfærden af ​​Keplerian flow og udviklingen af ​​finite amplitude perturbationer i det. Vi mener, at opdagelsen af ​​den ikke-lineære hydrodynamiske ustabilitet af Keplerian flow er næsten lige ved hånden. Faktisk, det er direkte relateret til forklaringen på selve eksistensen af ​​tilvækst og protoplanetariske skiver og, følgelig, til fremkomsten af ​​mange andre objekter i universet."