PPPL 首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了行星、恒星和超大質(zhì)量黑洞由旋轉(zhuǎn)的周圍物質(zhì)形成的令人費(fèi)解的長(zhǎng)期但從未得到證實(shí)的理論。這一突破性的確認(rèn)為 PPPL 超過(guò) 20 年的實(shí)驗(yàn)畫(huà)上了句號(hào)，PPPL 是致力于等離子體科學(xué)和聚變能研究的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

之所以出現(xiàn)這個(gè)難題，是因?yàn)閲@中心物體運(yùn)行的物質(zhì)不會(huì)簡(jiǎn)單地落入其中，這是由于所謂的角動(dòng)量守恒可以防止行星和土星環(huán)從其軌道上翻滾。那是因?yàn)橄蛲獾碾x心力平衡了引力對(duì)軌道物質(zhì)的向內(nèi)拉力。然而，稱為吸積盤的塵埃云和等離子體云圍繞著天體旋轉(zhuǎn)并坍縮成天體，這違反了角動(dòng)量守恒。

解謎

這個(gè)難題的解決方案是一種稱為標(biāo)準(zhǔn)磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性 (SMRI) 的理論，該理論于 1991 年由當(dāng)時(shí)的弗吉尼亞大學(xué)理論家史蒂文巴爾布斯和約翰霍利首次提出。他們建立在這樣一個(gè)事實(shí)之上，即在導(dǎo)電流體中，無(wú)論流體是等離子體還是液態(tài)金屬，磁場(chǎng)的行為就像連接流體不同部分的彈簧。

這使得無(wú)處不在的阿爾芬波(以諾貝爾獎(jiǎng)得主漢內(nèi)斯·阿爾芬命名)在旋轉(zhuǎn)流體的慣性和磁場(chǎng)的彈性之間產(chǎn)生來(lái)回力，導(dǎo)致角動(dòng)量在流體的不同部分之間快速傳遞磁盤。

SMRI 理論說(shuō)，這種強(qiáng)大的不穩(wěn)定性將等離子體轉(zhuǎn)向更穩(wěn)定的配置。這種轉(zhuǎn)變將軌道守恒角動(dòng)量向外推向圓盤邊緣，使內(nèi)部部分在數(shù)百萬(wàn)年內(nèi)坍縮成被包圍的天體，從而形成夜間出現(xiàn)的行星和恒星。該過(guò)程已通過(guò)數(shù)值驗(yàn)證，但直到現(xiàn)在才通過(guò)實(shí)驗(yàn)或觀察證明。

“直到現(xiàn)在，這仍然是理論上的，”物理學(xué)家 Yin Wang 說(shuō)，他是最近兩篇論文的主要作者，一篇發(fā)表在 9 月的《物理評(píng)論快報(bào)》 ( PRL ) 上，一篇發(fā)表在 8 月的《自然通訊》上，詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)、數(shù)值和理論相結(jié)合的證實(shí). 王說(shuō)，最近在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的新型 MRI 設(shè)備上產(chǎn)生的結(jié)果“已成功檢測(cè)到 SMRI 的特征”。論文的共同作者包括 PPPL 的物理學(xué)家 Erik Gilson 和 Fatima Ebrahimi。

'好消息'

“這是個(gè)好消息，”理論共同開(kāi)發(fā)者 Steven Balbus 說(shuō)。“現(xiàn)在能夠在實(shí)驗(yàn)室研究這一點(diǎn)是一個(gè)了不起的發(fā)展，無(wú)論是對(duì)于天體物理學(xué)還是更廣泛的磁流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。

MRI 設(shè)備最初由 PPPL 的物理學(xué)家 Hantao Ji 和普林斯頓的 Jeremy Goodman 構(gòu)思，他們都是這些論文的合著者，它由兩個(gè)以不同速度旋轉(zhuǎn)的同心圓柱體組成，產(chǎn)生模擬旋轉(zhuǎn)吸積盤的流動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)了 galinstan，一種封閉在磁場(chǎng)中的液態(tài)金屬合金。密封圓筒頂部和底部的蓋子以中間速度旋轉(zhuǎn)，有助于實(shí)驗(yàn)效果。

物理學(xué)家現(xiàn)在計(jì)劃進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，以進(jìn)一步表征報(bào)告的 SMRI。一項(xiàng)研究將通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬的速度、磁場(chǎng)的大小以及它們之間的相關(guān)性來(lái)測(cè)試角動(dòng)量的關(guān)鍵向外移動(dòng)。

“這些研究將推動(dòng)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)的新興領(lǐng)域，”王說(shuō)。“它們說(shuō)明了天體物理學(xué)如何在實(shí)驗(yàn)室中完成，以幫助解決太空望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星任務(wù)無(wú)法自行處理的問(wèn)題，這是實(shí)驗(yàn)室研究的一項(xiàng)重大成就。”

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