Подтверждение теории об образовании звезд. Как звезды и планеты развивались из облаков пыли и газа, которые когда-то заполнили космос? Новый эксперимент в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США продемонстрировал обоснованность широко распространенной теории, известной как «магнитовращательная неустойчивость», или МРТ, которая пытается объяснить образование небесных тел.

Заполненная водой версия эксперимента МРТ, показывающая прозрачный внешний цилиндр и почерневший внутренний цилиндр. Красные лазеры входят внизу, чтобы измерить местную скорость воды. Фото: Эрик Эдлунд и Эль Старкман

Теория утверждает, что МРТ позволяет аккреционным дискам, облакам пыли, газа и плазмы, которые вращаются вокруг растущих звезд и планет, а также черных дыр, разрушаться в них. Согласно теории, этот коллапс происходит потому, что турбулентная закрученная плазма, технически известная как «кеплеровские потоки», постепенно становится нестабильной внутри диска. Нестабильность приводит к уменьшению момента импульса – процесса, который препятствует втягиванию орбитальных планет в Солнце – во внутренних частях диска, которые затем попадают в небесные тела.

В отличие от вращающихся планет, вещество в плотных и переполненных аккреционных дисках может испытывать такие силы, как трение, которые приводят к тому, что диски теряют угловой момент и втягиваются в объекты, вокруг которых они вращаются. Однако такие силы не могут полностью объяснить, как быстро материя должна упасть в более крупные объекты, чтобы планеты и звезды сформировались в разумные сроки.

МРТ эксперимент

В PPPL физики смоделировали гипотезу более широкого процесса в лабораторном эксперименте МРТ. Уникальное устройство состоит из двух концентрических цилиндров, которые вращаются с разными скоростями. В этом эксперименте исследователи наполнили цилиндры водой и прикрепили наполненный водой пластиковый шар, привязанный пружиной, к стойке в центре устройства; пружина растяжения и изгиба имитирует магнитные силы в плазме в аккреционных дисках. Затем исследователи повернули цилиндры и сняли на видео поведение мяча, как видно сверху вниз.

Имитация аккреционного диска

Имитация аккреционного диска, вращающегося вокруг небесного тела. Фото: Майкл Оуэн и Джон Блондин, Университет штата Северная Каролина.

Результаты, представленные в Physics Communications , сравнивали движения пружинного шара при вращении с различными скоростями. «Без растяжения ничего не происходит с моментом импульса», – сказал Хантао Цзи, профессор астрофизических наук в Принстонском университете, главный исследователь по МРТ и соавтор статьи. «Ничего не случится, если весна будет слишком сильной».

Однако прямое измерение результатов показало, что при слабой привязке пружины – аналогично состоянию магнитных полей в аккреционных дисках – поведение углового момента мяча соответствовало предсказаниям МРТ в реальных аккреционных дисках. Полученные данные показали, что слабо привязанный вращающийся шар набрал момент импульса и сместился наружу во время эксперимента. Поскольку момент импульса вращающегося тела должен быть сохранен, любой выигрыш в импульсе должен соответствовать потере импульса во внутренней секции, что позволяет гравитации втягивать диск в объект, вокруг которого он вращается.

По материалам phys.org