确认行星恒星和黑洞形成背后的理论

发布时间:2023-01-13 20:04:33 编辑: 来源:
导读 PPPL 首次在实验室实现了行星、恒星和超大质量黑洞由旋转的周围物质形成的令人费解的长期但从未得到证实的理论。这一突破性的确认为 PPPL

PPPL 首次在实验室实现了行星、恒星和超大质量黑洞由旋转的周围物质形成的令人费解的长期但从未得到证实的理论。这一突破性的确认为 PPPL 超过 20 年的实验画上了句号,PPPL 是致力于等离子体科学和聚变能研究的国家实验室。

之所以出现这个难题,是因为围绕中心物体运行的物质不会简单地落入其中,这是由于所谓的角动量守恒可以防止行星和土星环从其轨道上翻滚。那是因为向外的离心力平衡了引力对轨道物质的向内拉力。然而,称为吸积盘的尘埃云和等离子体云围绕着天体旋转并坍缩成天体,这违反了角动量守恒。

解谜

这个难题的解决方案是一种称为标准磁旋转不稳定性 (SMRI) 的理论,该理论于 1991 年由当时的弗吉尼亚大学理论家史蒂文巴尔布斯和约翰霍利首次提出。他们建立在这样一个事实之上,即在导电流体中,无论流体是等离子体还是液态金属,磁场的行为就像连接流体不同部分的弹簧。

这使得无处不在的阿尔芬波(以诺贝尔奖得主汉内斯·阿尔芬命名)在旋转流体的惯性和磁场的弹性之间产生来回力,导致角动量在流体的不同部分之间快速传递磁盘。

SMRI 理论说,这种强大的不稳定性将等离子体转向更稳定的配置。这种转变将轨道守恒角动量向外推向圆盘边缘,使内部部分在数百万年内坍缩成被包围的天体,从而形成夜间出现的行星和恒星。该过程已通过数值验证,但直到现在才通过实验或观察证明。

“直到现在,这仍然是理论上的,”物理学家 Yin Wang 说,他是最近两篇论文的主要作者,一篇发表在 9 月的《物理评论快报》 ( PRL ) 上,一篇发表在 8 月的《自然通讯》上,详细介绍了实验、数值和理论相结合的证实. 王说,最近在实验室开发的新型 MRI 设备上产生的结果“已成功检测到 SMRI 的特征”。论文的共同作者包括 PPPL 的物理学家 Erik Gilson 和 Fatima Ebrahimi。

'好消息'

“这是个好消息,”理论共同开发者 Steven Balbus 说。“现在能够在实验室研究这一点是一个了不起的发展,无论是对于天体物理学还是更广泛的磁流体动力学领域。

MRI 设备最初由 PPPL 的物理学家 Hantao Ji 和普林斯顿的 Jeremy Goodman 构思,他们都是这些论文的合著者,它由两个以不同速度旋转的同心圆柱体组成,产生模拟旋转吸积盘的流动。该实验旋转了 galinstan,一种封闭在磁场中的液态金属合金。密封圆筒顶部和底部的盖子以中间速度旋转,有助于实验效果。

物理学家现在计划进行新的实验和数值研究,以进一步表征报告的 SMRI。一项研究将通过测量旋转的液态金属的速度、磁场的大小以及它们之间的相关性来测试角动量的关键向外移动。

“这些研究将推动跨学科实验室天体物理学的新兴领域,”王说。“它们说明了天体物理学如何在实验室中完成,以帮助解决太空望远镜和卫星任务无法自行处理的问题,这是实验室研究的一项重大成就。”

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