Die erste Laborrealisierung der langjährigen, aber nie zuvor bestätigten Theorie der rätselhaften Entstehung von Planeten, Sternen und supermassiven Schwarzen Löchern durch wirbelnde umgebende Materie wurde am PPPL produziert. Diese bahnbrechende Bestätigung krönt mehr als 20 Jahre Experimente am PPPL, dem nationalen Labor, das sich der Erforschung der Plasmawissenschaften und der Fusionsenergie widmet.
Das Rätsel entsteht, weil Materie, die um ein zentrales Objekt kreist, nicht einfach hineinfällt, aufgrund der sogenannten Drehimpulserhaltung, die Planeten und die Ringe des Saturn daran hindert, aus ihren Umlaufbahnen zu stürzen. Das liegt daran, dass die nach außen gerichtete Zentrifugalkraft die nach innen gerichtete Anziehungskraft der Schwerkraft auf die umlaufende Materie ausgleicht. Die als Akkretionsscheiben bezeichneten Staub- und Plasmawolken, die herumwirbeln und in Himmelskörper kollabieren, tun dies jedoch trotz der Erhaltung des Drehimpulses.
Rätsellösung
Die Lösung dieses Rätsels, eine Theorie, die als Standard Magnetorotational Instability (SMRI) bekannt ist, wurde erstmals 1991 von den damaligen Theoretikern Steven Balbus und John Hawley von der University of Virginia vorgeschlagen. Sie bauten auf der Tatsache auf, dass sich Magnetfelder in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, sei es Plasma oder flüssiges Metall, wie Federn verhalten, die verschiedene Abschnitte der Flüssigkeit verbinden.
Dies ermöglicht es allgegenwärtigen Alfvén-Wellen, benannt nach dem Nobelpreisträger Hannes Alfvén, eine Hin- und Her-Kraft zwischen der Trägheit der wirbelnden Flüssigkeit und der Federkraft des Magnetfelds zu erzeugen, wodurch ein Drehimpuls schnell zwischen verschiedenen Abschnitten übertragen wird Scheibe.
Diese starke Instabilität verschiebt das Plasma in Richtung einer stabileren Konfiguration, sagt die SMRI-Theorie. Die Verschiebung verschiebt den orbiterhaltenden Drehimpuls nach außen zum Rand der Scheibe und befreit innere Abschnitte, die über Millionen von Jahren in die eingekreisten Himmelskörper kollabieren und die Planeten und Sterne erschaffen, die nachts herauskommen. Der Prozess wurde numerisch verifiziert, aber bisher nie experimentell oder durch Beobachtung demonstriert.
„Das ist bis jetzt theoretisch geblieben“, sagte der Physiker Yin Wang, Hauptautor zweier neuerer Arbeiten, eine davon im September Briefe zur körperlichen Überprüfung (PRL) und ein Naturkommunikation im August veröffentlichtes Papier, das die kombinierte experimentelle, numerische und theoretische Bestätigung beschreibt. Jüngste Ergebnisse, die mit dem im Labor entwickelten neuartigen MRI-Gerät erzielt wurden, „haben erfolgreich die Signatur von SMRI nachgewiesen“, sagte Wang. Zu den Co-Autoren der Veröffentlichungen gehören die Physiker Erik Gilson und Fatima Ebrahimi von PPPL.
‚Großartige Neuigkeiten‘
„Das sind großartige Neuigkeiten“, sagte Steven Balbus, Co-Entwickler der Theorie. „Dies nun im Labor untersuchen zu können, ist eine wunderbare Entwicklung, sowohl für die Astrophysik als auch für das Gebiet der Magnetohydrodynamik im Allgemeinen.
Das ursprünglich von den Physikern Hantao Ji von PPPL und Jeremy Goodman von Princeton, beide Co-Autoren dieser Artikel, konzipierte MRT-Gerät 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 weiter zu charakterisieren. Eine Studie wird die entscheidende Verschiebung des Drehimpulses nach außen testen, indem die Geschwindigkeit des wirbelnden flüssigen Metalls zusammen mit den Dimensionen des Magnetfelds und den Korrelationen zwischen ihnen gemessen wird.
„Diese Studien werden das aufstrebende Gebiet der interdisziplinären Laborastrophysik voranbringen“, sagte Wang. „Sie veranschaulichen, wie Astrophysik in Labors durchgeführt werden kann, um Probleme zu lösen, die Weltraumteleskope und Satellitenmissionen nicht alleine bewältigen können, eine große Errungenschaft für die Laborforschung.“
Mehr Informationen:
Yin Wang et al, Beobachtung der axialsymmetrischen Standard-Magnetorotationsinstabilität im Labor, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.115001
Yin Wang et al, Identifizierung eines nicht achsensymmetrischen Modus in Laborexperimenten zur Suche nach Standard-Magnetorotationsinstabilität, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32278-0