Подтверждение теории образования планет, звезд и черных дыр
В PPPL была произведена первая лабораторная реализация давней, но никогда ранее не подтверждавшейся теории загадочного образования планет, звезд и сверхмассивных черных дыр за счет закручивания окружающего вещества. Это прорывное подтверждение завершает более 20 лет экспериментов в PPPL, национальной лаборатории, занимающейся изучением науки о плазме и термоядерной энергии.
Эскиз ячейки Тейлора-Куэта, использованной в эксперименте. Ячейка состоит из трех независимо вращающихся компонентов: внутреннего цилиндра ( 1 ), внешнего цилиндра, ограниченного внешним кольцом ( 2 ), а также верхнего и нижнего внутренних колец ( 3 ). Слева наложен профиль сдвига, усредненный по ϕ, q − 2 = − ( r / Ω ) ∂ Ω / ∂ r − 2 в статистически устойчивом гидродинамическом состоянии из трехмерного моделирования. Используемая цилиндрическая система координат показана желтым цветом. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.115001
Загадка возникает из-за того, что материя, вращающаяся вокруг центрального объекта, не просто попадает в него из-за того, что называется сохранением углового момента, который не дает планетам и кольцам Сатурна кувыркаться со своих орбит. Это потому, что внешняя центробежная сила уравновешивает внутреннее притяжение гравитации вещества, движущегося по орбите. Однако облака пыли и плазмы, называемые аккреционными дисками, вращаются и коллапсируют в небесные тела, нарушая закон сохранения углового момента.
Решение головоломки
Решение этой загадки, теория, известная как Стандартная магнитовращательная нестабильность (SMRI), была впервые предложена в 1991 году тогдашними теоретиками из Университета Вирджинии Стивеном Балбусом и Джоном Хоули. Они основывались на том факте, что в жидкости, проводящей электричество, будь то плазма или жидкий металл, магнитные поля ведут себя как пружины, соединяющие разные участки жидкости.
Это позволяет вездесущим альфвеновским волнам, названным в честь лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альфвена, создавать возвратно-поступательную силу между инерцией вращающейся жидкости и пружинистостью магнитного поля, вызывая быструю передачу углового момента между различными участками.
Эта мощная нестабильность сдвигает плазму в сторону более стабильной конфигурации, говорится в теории SMRI. Сдвиг выталкивает сохраняющий орбиту угловой момент наружу, к краю диска, освобождая внутренние участки для коллапса в течение миллионов лет в окруженные небесные тела, создавая планеты и звезды, которые появляются ночью. Этот процесс был подтвержден численно, но до сих пор никогда не демонстрировался экспериментально или наблюдательно.
«До сих пор это оставалось теоретическим», — сказал физик Инь Ван, ведущий автор двух недавних статей, одна из которых была опубликована в сентябре в Physical Review Letters (PRL), а другая — в статье Nature Communications, опубликованной в августе, в которой подробно описывается комбинированное экспериментальное, численное и теоретическое подтверждение. Недавние результаты, полученные на новом устройстве МРТ, разработанном в лаборатории, «успешно выявили сигнатуру SMRI», — сказал Ван. Соавторами статей являются физики Эрик Гилсон и Фатима Эбрахими из PPPL.
Задание сетки в четверти сечения меридиональной плоскости (а) и увеличенного участка вокруг ячейки Тейлора-Куэта с отмеченными скоростями вращения различных компонентов (б). Цвета обозначают разные домены: фиолетовый — жидкость, синий — медная торцевая крышка, желтый — ободок из нержавеющей стали внутреннего цилиндра и красный — вакуум. Черная пунктирная линия на (b) указывает границу между внутренним и внешним кольцами. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.115001
«Это отличная новость», — сказал один из разработчиков теории Стивен Балбус. «Теперь иметь возможность изучать это в лаборатории — замечательное достижение как для астрофизики, так и для области магнитогидродинамики в целом.
Устройство МРТ, первоначально задуманное физиками Хантао Цзи из PPPL и Джереми Гудманом из Принстона, соавторами этих статей, состоит из двух концентрических цилиндров, которые вращаются с разной скоростью, создавая поток, имитирующий закрученный аккреционный диск. В эксперименте вращался галинстан, жидкий металлический сплав, заключенный в магнитное поле. Крышки, закрывающие верх и низ цилиндров, вращаются с промежуточной скоростью, способствуя экспериментальному эффекту.
Физики теперь планируют новые экспериментальные и численные исследования, чтобы дополнительно охарактеризовать сообщаемый SMRI. В одном исследовании будет проверено решающее внешнее смещение углового момента путем измерения скорости вращающегося жидкого металла вместе с размерами магнитного поля и корреляциями между ними.
«Эти исследования будут способствовать развитию новой области междисциплинарной лабораторной астрофизики», — сказал Ван. «Они иллюстрируют, как астрофизика может выполняться в лабораториях, чтобы помочь решить проблемы, с которыми космические телескопы и спутниковые миссии не могут справиться самостоятельно, что является большим достижением для лабораторных исследований».
