Naukowcy odkryli mechanizm powodujący powstawanie planet
Oddziaływania między plazmą a polami magnetycznymi mogą prowadzić do powstania układów słonecznych.
 |
| Wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury otoczonej dyskiem akrecyjnym. Źródło: Ilustracja dzięki uprzejmości NASA |
Zamiast burzy w imbryku, wyobraźmy sobie kosmos w pojemniku. Naukowcy przeprowadzili eksperymenty w wykorzystaniem zagnieżdżonych, wirujących cylindrów, aby potwierdzić, że nierównomierne drgania w pierścieniu z przewodzącego elektryczność płynu, takiego jak ciekły metal lub plazma, powodują, że cząsteczki wewnątrz pierścienia dryfują do wewnątrz. Ponieważ wirujące pierścienie plazmy występują również wokół gwiazd i czarnych dziur, nowe odkrycia sugerują, że drgania te mogą powodować opadanie materii w tych pierścieniach w kierunku centralnej masy i tworzenie planet.
Naukowcy odkryli, że drgania mogą narastać w nowy, nieoczekiwany sposób. Wiedzieli już, że drgania mogą powstać w wyniku interakcji między plazmą a polem magnetycznym, w polu grawitacyjnym. Jednak nowe wyniki pokazują, że drgania mogą łatwiej powstać w obszarze między dwoma strumieniami cieczy o różnych prędkościach, w obszarze znanym jako swobodna warstwa ścinająca.
To odkrycie pokazuje, że wahania mogą występować częściej w całym Wszechświecie, niż się spodziewaliśmy, potencjalnie odpowiadając za powstanie większej liczby układów planetarnych, niż wcześniej sądzono - powiedział Yin Wang, fizyk badawczy w Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton (PPPL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) i główny autor artykułu opisującego wyniki w Physical Review Letters. To ważny wgląd w procesie powstawania planet w całym kosmosie.
Odkrycia te stanowią kontynuację wcześniejszych badań z 2022 roku, które koncentrowały się na prostszym obrazie zachowania płynów. Łącznie oba odkrycia wzmacniają dowody na to, że pewien rodzaj drgań plazmy, znany jako niestabilność magnetorotacyjna (MRI), może powodować powstawanie planet z tzw. dysków akrecyjnych materii krążącej wokół gwiazd.
Tworzenie gwiazdowego dysku akrecyjnego w laboratorium
Pierwotny eksperyment miał miejsce w 2022 roku i obejmował Eksperyment MRI PPPL, urządzenie składające się z dwóch zagnieżdżonych metalowych cylindrów, każdy o wysokości około 30 cm i szerokości 5 cm, które mogą obracać się z różną prędkością. Naukowcy stworzyli obszary galinstanu – płynnej mieszaniny glinu, irydu i cyny – które naśladowały ruch różnych części dysku akrecyjnego z różnymi prędkościami. Następnie naukowcy zastosowali pole magnetyczne.
Analizując wyniki z 2022 roku za pomocą programów komputerowych, naukowcy potwierdzili, że stworzyli formę rezonansu magnetycznego (MRI), w której linie pola magnetycznego nie mają tej samej orientacji wokół i przez plazmę. Zamiast tego, tworzą one skręcony kształt, przeplatając się przez warstwę ścinającą i rozwijając różną siłę w różnych orientacjach.
Podobnie jak w przypadku 2022 roku, drgania powodują, że cząsteczki na zewnątrz plazmy poruszają się szybciej, a te wewnętrzne – wolniej. Szybkie cząsteczki mogą nabrać tak dużej prędkości, że odlecą w przestrzeń kosmiczną, natomiast wolniejsze mogą opadać do wewnątrz i łączyć się w ciała niebieskie, w tym planety.
Wykorzystanie kodów komputerowych do interpretacji obserwacji
Naukowcy potwierdzili swoje odkrycia, wykorzystując programy komputerowe SFEMaNS i Dedalus do stworzenia symulacji plazmy w oparciu o dane z wcześniejszych eksperymentów z 2022 roku. Te symulacje komputerowe potwierdziły nasze wcześniejsze analizy eksperymentalne, ale otworzyły również nowe horyzonty, które pomogą nam zrozumieć, co oznaczają te dane – powiedziała Fatima Ebrahimi, główna fizyczka badawcza w PPPL i jedna ze współautorek artykułu.
Nowe symulacje pokazały badaczom, że to nierównomierne drgania, czyli osiowo niesymetryczny obraz MRI, są rodzajem niestabilności magnetohydrodynamiczej. Przypominają one turbulencje wywołane przez spotkanie cieczy o różnych prędkościach – jak wiry powstające podczas lotu samolotu przez chmurę – ale z dodatkową złożonością wywołaną przez pole magnetyczne. Podobne turbulencje występują na powierzchni Słońca oraz w przestrzeni kosmicznej, na którą oddziałuje pole magnetyczne Ziemi.
Odkrywanie wieloletniej zagadki
Symulacje pokazały, że w sytuacjach, gdy dwa płyny o różnych prędkościach spotykają się i mieszają, tworząc swobodną warstwę ścinającą, może powstać wielkoskalowy, osiowo niesymetryczny obraz MRI, który powoduje drgania całego dysku – powiedziała Ebrahimi. Ta nowa wiedza doprowadziła do powstania nowej fizyki, która pomaga rozwiązać wieloletnią zagadkę astrofizyczną.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Czytaj też:
