Nye fund bringer fysikere tættere på at forstå dannelsen af ​​planeter og stjerner

Ned ad en gang i det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), videnskabsmænd studerer, hvordan en maskine fungerer i et rum fyldt med ledninger og metalkomponenter. Forskerne søger at forklare opførselen af ​​enorme skyer af støv og andet materiale, der omkranser stjerner og sorte huller og kollapser for at danne planeter og andre himmellegemer.

Nye fund rapporteret i Fysisk gennemgang E yderligere forståelse af en maskine kendt som magnetorotational instability (MRI) eksperiment, som er opkaldt efter og bringer os tættere på at opdage kilden til den ustabilitet, der får materialet til at kollapse i sådanne kroppe. Fænomenet har længe været formodet, men aldrig endeligt vist at eksistere.

Resultaterne af PPPL-eksperimentet fokuserer på effekten af ​​kobberendehætter, der danner kunstige grænser i stedet for naturens tyngdekraft på toppen og bunden af ​​hovedkarret i laboratoriets maskine. Enheden rummer to indlejringscylindre med mellemrummet mellem dem fyldt med en flydende metallegering kendt som Galinstan.

"Vi forsøger at genskabe forholdene i det ydre rum i laboratoriet, men vi er nødt til at håndtere disse endestykker, " siger PPPL-fysiker Kyle Caspary, hovedforfatter af papiret. "For at håndtere dem og opdage MR i vores apparat, vi er nødt til fuldt ud at forstå virkningerne af endehættens grænser. Hvis vi kan forstå dette lag bedre, vi kunne betjene maskinen på en måde, der ville give os mulighed for at skelne de udsving, vi ser fra MRI."

De indlejrede cylindre roterer med forskellige hastigheder, skabe områder i Galinstan, der roterer i cylindrene med forskellige hastigheder. Denne rotation efterligner de forskellige rotationshastigheder af støv og andet materiale, der hvirvler i såkaldte tilvækstskiver omkring kosmiske objekter som stjerner og sorte huller.

Når væsken i de indlejrede cylindre drejer, der opstår ustabilitet i området mellem de to cylindre, ligesom storme udvikler sig mellem forskellige luftmasser. PPPL videnskabsmænd undersøger disse udsving for at finde beviser for magnetrotationel ustabilitet, hvilket menes at få sagen i accretion disks til at kollapse hurtigere end nuværende modeller forudsiger.

"Astrofysikere har antaget, at hvis der var turbulens i strømmen af ​​materiale i tilvækstskiver, der kunne forklare uoverensstemmelsen mellem teori og observation, sagde Erik Gilson, PPPL-fysikeren med ansvar for MR-eksperimentet. "Turbulens ville føre til en større viskositet af flydende materiale, og det ville betyde en højere tilvækst."

Mens endehætter er afgørende for driften af ​​MRI-eksperimentet for at forhindre den flydende legering i at sprøjte ud, der er ingen endestykker i rummet. At forstå præcist, hvordan endekapperne påvirker Galinstans adfærd, ville derfor lade forskerne oversætte de data, der er indsamlet af MRI-eksperimentet, til en form, der ville matche, hvad der sker i naturen.

Dataene indsamlet af Caspary indikerer, at kobberendekapperne, som leder elektricitet, synes at gøre visse ustabiliteter mere tilbøjelige til at opstå. Ud over, de ledende endehætter får ustabiliteten til at gå fra én til mange frekvenser, som symfonier med flere lydlinjer. De mange frekvenser er bevis på, at endekapperne påvirker magnetfelterne i det flydende metal. Denne interaktion mellem endekapperne og de magnetiske felter bevarer adskillelsen af ​​de hurtige og langsomt bevægende områder i Galinstan.

Caspary og Gilson føler nu, at de er tættere på at detektere magnetrotationel ustabilitet i rummet. "Vi fik nogle meget nyttige indsigter i, hvordan grænserne påvirker stabiliteten af ​​flowet, og nogle indsigter i, hvordan vi kan ændre vores rotationshastigheder, og hvordan vi kan dreje maskinen for at undgå ustabilitet, mens vi stadig er i et rige, hvor vi kan finde MRI, " sagde Caspary.