Udforske kilden til stjerner og planeter i et laboratorium

En ny metode til at verificere en udbredt, men ubevist teoretisk forklaring på dannelsen af ​​stjerner og planeter er blevet foreslået af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Metoden vokser fra simulering af Princeton Magnetorotational Instability (MRI) Experiment, et unikt laboratorieapparat, der har til formål at demonstrere MR-processen, der menes at have fyldt kosmos med himmellegemer.

Kosmisk støv

Den nye enhed, designet til at kopiere den proces, der får hvirvlende skyer af kosmisk støv og plasma til at kollapse til stjerner og planeter, består af to væskefyldte koncentriske cylindre, der roterer med forskellige hastigheder. Enheden søger at replikere de ustabiliteter, der menes at få de hvirvlende skyer til gradvist at kaste det, der kaldes deres vinkelmomentum, og kollapse ind i de voksende kroppe, som de kredser om. Sådan momentum holder Jorden og andre planeter fast inden for deres baner.

"I vores simuleringer kan vi faktisk se MR udvikle sig i eksperimenter, " sagde Himawan Winarto, en kandidatstuderende i Princeton-programmet i Plasmafysik ved PPPL og hovedforfatter af et papir i Fysisk gennemgang E interessen for emnet begyndte som praktikant ved University of Tokyo-Princeton University Partnership on Plasma Physics, mens han var bachelor på Princeton University.

Det foreslåede system vil måle styrken af ​​radialen, eller cirkulær, magnetfelt, som den roterende indre cylinder genererer i forsøg. Da feltets styrke korrelerer stærkt med forventede turbulente ustabiliteter, målingerne kunne hjælpe med at lokalisere kilden til turbulensen.

"Vores overordnede mål er at vise verden, at vi utvetydigt har set MR-effekten i laboratoriet, " sagde fysiker Erik Gilson, en af ​​Himawans mentorer på projektet og medforfatter til papiret. "Det Himawan foreslår er en ny måde at se på vores målinger for at komme til essensen af ​​MR."

Overraskende resultater

Simuleringerne har vist nogle overraskende resultater. Mens MR normalt kun kan observeres ved en tilstrækkelig høj cylinderrotationshastighed, de nye resultater indikerer, at ustabilitet sandsynligvis kan ses længe før den øvre grænse for den eksperimentelle rotationshastighed nås. "Det betyder hastigheder meget tættere på de satser, vi kører nu, " sagde Winarto, "og projekterer til den rotationshastighed, som vi bør sigte efter for at se MR."

En vigtig udfordring for at få øje på kilden til MR er eksistensen af ​​andre effekter, der kan virke som MR, men som i virkeligheden ikke er processen. Fremtrædende blandt disse vildledende effekter er, hvad der kaldes Rayleigh-ustabiliteter, der opdeler væsker i mindre pakker, og Ekman cirkulation, der ændrer profilen af ​​væskestrømmen. De nye simuleringer indikerer klart "at MR, snarere end Ekman-cirkulation eller Rayleigh-ustabilitet, dominerer væskeadfærden i den region, hvor MR forventes, " sagde Winarto.

Fundene kaster således nyt lys over væksten af ​​stjerner og planeter, der befolker universet. "Simuleringer er meget nyttige til at pege dig i den rigtige retning for at hjælpe med at fortolke nogle af de diagnostiske resultater af eksperimenter, " sagde Gilson. "Det, vi ser fra disse resultater, er, at signalerne for MR ser ud som om de burde kunne ses lettere i eksperimenter, end vi tidligere havde troet."