Bestätigung der Theorie hinter der Entstehung von Planeten, Sternen und Schwarzen Löchern

Die erste Laborrealisierung der lange gehegten, aber nie bestätigten Theorie der rätselhaften Entstehung von supermassiven Planeten, Sternen und Schwarzen Löchern durch wirbelnde umgebende Materie wurde am PPPL produziert. Diese revolutionäre Bestätigung krönt mehr als 20 Jahre Experimente am PPPL, dem nationalen Labor, das sich dem Studium der Plasmawissenschaften und der Fusionsenergie widmet.

Das Rätsel entsteht, weil Materie, die ein zentrales Objekt umkreist, nicht einfach hineinfällt, aufgrund einer sogenannten Drehimpulserhaltung, die Saturns Planeten und Ringe daran hindert, aus ihren Umlaufbahnen zu fallen. Dies liegt daran, dass die nach außen gerichtete Zentrifugalkraft die nach innen gerichtete Anziehungskraft der Schwerkraft auf umlaufende Materie ausgleicht. Allerdings riefen Staub- und Plasmawolken hervor Akkretionsscheiben die wirbeln und zusammenbrechen Himmelskörper tun Sie dies trotz der Erhaltung des Drehimpulses.

Rätsellösung

Die Lösung dieses Rätsels, eine Theorie namens Standard Magnetorotational Instability (SMRI), wurde erstmals 1991 von den Theoretikern Steven Balbus und John Hawley von der University of Virginia vorgeschlagen. Sie stützten sich darauf, dass in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, ob Plasma od flüssiges MetallMagnetfelder verhalten sich wie Federn, die verschiedene Abschnitte der Flüssigkeit verbinden.

Dies ermöglicht es den allgegenwärtigen Alfvén-Wellen, benannt nach dem Nobelpreisträger Hannes Alfvén, eine hin- und hergehende Kraft zwischen der Trägheit der wirbelnden Flüssigkeit und der Elastizität der zu erzeugen Magnetfeldwas zu einer schnellen Übertragung des Drehimpulses zwischen verschiedenen Abschnitten der Scheibe führt.

Diese starke Instabilität verschiebt das Plasma gemäß der SMRI-Theorie in eine stabilere Konfiguration. Die Verschiebung drückt den erhaltenen Drehimpuls der Umlaufbahn an den Rand der Scheibe und befreit die inneren Abschnitte, um über Millionen von Jahren in die eingekreisten Himmelskörper zu kollabieren und die Planeten und Sterne zu erschaffen, die nachts herauskommen. Der Prozess wurde numerisch verifiziert, aber bisher nie experimentell oder durch Beobachtung demonstriert.

„Bislang war es theoretisch“, sagte der Physiker Yin Wang, Hauptautor zweier neuerer Arbeiten, eine davon im September bei Briefe zur körperlichen Untersuchung (LRP) und ein Naturkommunikation Artikel veröffentlicht im August, der die kombinierte experimentelle, numerische und theoretische Bestätigung beschreibt. Jüngste Ergebnisse des neuen MRI-Geräts, das im Labor entwickelt wurde, „erkannten erfolgreich die Signatur von SMRI“, sagte Wang. Zu den Co-Autoren der Veröffentlichungen gehören die Physiker Erik Gilson und Fatima Ebrahimi von PPPL.

‘Gute Nachrichten’

„Das sind großartige Neuigkeiten“, sagte Steven Balbus, Co-Entwickler der Theorie. „Dies jetzt im Labor untersuchen zu können, ist eine enorme Entwicklung, sowohl für die Astrophysik als auch für das Gebiet der Magnetohydrodynamik im Allgemeinen.

Das MRT-Gerät, das ursprünglich von den Physikern Hantao Ji von PPPL und Jeremy Goodman von Princeton, beide Co-Autoren dieser Veröffentlichungen, entworfen wurde, besteht aus zwei konzentrischen Zylindern, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen und eine Strömung erzeugen, die eine wirbelnde Akkretionsscheibe nachahmt. Das Experiment drehte Galinstan, eine flüssige Metalllegierung, die in einem Magnetfeld eingeschlossen war. Die Kappen, die die Ober- und Unterseite der Zylinder abdichten, drehen sich mit mittlerer Geschwindigkeit und tragen so zum experimentellen Effekt bei.

Physiker planen nun neue experimentelle und numerische Studien, um das beschriebene SMRI besser zu charakterisieren. Eine Studie wird die entscheidende Verschiebung des Drehimpulses nach außen testen, indem die Geschwindigkeit von wirbelndem flüssigem Metall sowie die Dimensionen des Magnetfelds und die Korrelationen zwischen ihnen gemessen werden.

“Diese Studien werden das aufstrebende Gebiet der interdisziplinären Laborastrophysik voranbringen”, sagte Wang. „Sie veranschaulichen, wie Astrophysik in Laboratorien durchgeführt werden kann, um Probleme zu lösen, die Weltraumteleskope und Satellitenmissionen alleine nicht bewältigen können, eine große Errungenschaft Labor Forschung.”