Исследователи из Йельского университета Дэррил Селигман и Грег Лафлин создали новую модель для понимания того, как черные дыры, планеты и галактики возникают из богатой вихрями окружающей среды космоса. Они черпали вдохновение из алгоритма машиностроения, который показывает, как воздух проходит мимо лопастей винта вертолета.
«Космос наполнен газом, пылью, жидкостями и турбулентностью. Мы хотели лучше учесть завихрение всего этого материала», — сказал Селигман, аспирант и первый автор исследования.Это закручивание происходит от вихря — или, скорее, от множества вихрей, — которые вращаются и притягивают предметы к своему центру. В частности, Лафлин и Селигман пытались воспроизвести взаимодействие вихрей в аккреционном диске, который представляет собой вращающееся поле материи, окружающее массивные космические тела, такие как черные дыры.
Аккреционные диски являются рассадником новых планет, солнечных систем и галактик.Традиционные модели образования планет и подобных явлений были основаны на взрывоопасной космической среде, полной сильных толчков. Лафлин и Селигман решили создать новую модель под названием Maelstrom3D, которая фокусируется на взаимодействии вихрей в менее горючей космической среде.
Первоначально исследователи рассматривали компьютерную симуляцию взрывов как модель. Но в конце концов они решили, что такое моделирование не содержит необходимого уровня сложности для моделирования турбулентности пространства.Именно тогда они наткнулись на исследование десятилетней давности, выполненное группой инженеров-механиков. В исследовании представлен алгоритм, показывающий, как лопасти винта вертолета взаимодействуют с создаваемыми ими вихрями.
«При проектировании вертолета критически важно правильно настроить взаимодействие лезвия и вихря», — сказал Лафлин. «Дэррил смог перенести строгую структуру авиационного моделирования на моделирование астрофизической среды, и ясно, что это имеет большое значение».Используя свою новую модель, исследователи применили ее к паре вихрей, вставленных в гипотетический участок аккреционного диска.
Они обнаружили два основных отличия от предыдущих моделей: вихри могут испускать волны Россби (атмосферные волны), когда они вращаются, и количество орбит между двумя вихрями, которое связано с вязкостью окружающей среды, отличается, как показано с их помощью. модель.«Мы были ошеломлены тем уровнем детализации, которого нам удалось достичь», — сказал Селигман.Результаты опубликованы в Интернете в The Astrophysical Journal.
Он добавил, что Maelstrom3D может иметь другие приложения помимо астрономии. Например, недавнее исследование показало, что древние плезиозавры создавали вихри своими передними ластами, которые помогали их задним ластам генерировать больше энергии для движения.
«Этот тип гидродинамики очень похож на вихри, генерируемые взаимодействием лопастей в роторе или крыле самолета, и это именно тот тип явления, для обработки которого предназначен наш код», — сказал Селигман.