Forskning från Sternberg Astronomical Institute, Lomonosov Moscow State University, har fokuserat sina ansträngningar på en av de stora teoretiska frågorna inom modern astrofysisk vätskedynamik, vilket är stabiliteten hos Keplerian skjuvflöde av vätska eller gas. Resultaten finns tillgängliga i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society tidning.
Keplers flöde är allestädes närvarande i rymden. Det förekommer i accretion och protoplanetariska skivor, där fluiden roterar differentiellt så att dess vinkelhastighet minskar omvänt till avståndet från rotationsaxeln till trehalvans effekt.
Dr Viacheslav Zhuravlev från Lomonosov Moscow State University och författaren till tidningen säger, "Många observationer avslöjar att både accretion och protoplanetära skivor är i ett turbulent tillstånd. Ändå, ingen har hittills lyckats modellera eller simulera turbulent Kepler-flöde av icke-joniserat material under laboratorieförhållanden. Med andra ord, till skillnad från de andra kända skjuvflödena, Kepleriskt flöde visar fantastisk olinjär dynamisk stabilitet. Hittills, denna stabilitet har kontrollerats upp till Reynolds-talet på flera miljoner. Dock, i riktiga astrofysiska skivor, Reynolds-talet kan vara så högt som tiotals miljarder."
I projektet, författarna antar att Keplerian flöde bryter in i ett turbulent tillstånd vid Reynolds-talet som ännu inte uppnåtts i forskningen. Eftersom turbulens inte kan existera i frånvaro av växande störningar av hastighet och tryck, de överväger i detalj hur stor tillväxtfaktorn för tillfälligt växande störningar kan vara. Rent generellt, dessa störningar uppstår i form av spiraler som lindas av genom den differentiella rotationen av bulkflödet.
Viacheslav Zhuravlev säger, "Vi har för första gången lyckats visa att sådana störningar kan upprätthålla turbulens även i skalor som avsevärt överstiger skivans tjocklek. Dessutom, vi förutspår ett värde på Reynolds-talet som motsvarar övergången till turbulens både i Kepler- och super-Kepler-flöden."
Forskarna har löst de linjäriserade Navier-Stokes-ekvationerna både numeriskt och analytiskt. Dessutom, för första gången i astrofysisk vetenskaplig litteratur, de har använt en så kallad variationsmetod för att bestämma de optimala störningarna som visar högsta möjliga amplitudtillväxt.
Forskaren sammanfattar:"Vi kommer att utföra en uppsättning speciella datorsimuleringar, vilket kommer att hjälpa till att avslöja en exakt mekanism för skjuvflödesstabiliseringen i modellsituationen, när vinkelhastighetsprofilen utvecklas från en så kallad cyklontyp till den keplerska typen. I tur och ordning, detta kommer att bidra till bättre förståelse av beteendet hos Kepler-flödet och utvecklingen av störningar med ändlig amplitud i det. Vi tror att upptäckten av den olinjära hydrodynamiska instabiliteten hos Keplerian flöde är nära till hands. Faktiskt, det är direkt relaterat till förklaringen av själva existensen av accretion och protoplanetära skivor och, följaktligen, till uppkomsten av många andra objekt i universum."
