行星 恒星和超大质量黑洞形成背后关键理论的突破性实验室确认

普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)首次在实验室实现了行星、恒星和超大质量黑洞通过周围物质旋转形成的令人费解的理论，该理论存在已久但从未得到证实。这一突破性的确认为位于普林斯顿大学并由美国能源部(DOE)资助的PPPL进行了20多年的实验画上了句号。

PillarsofCreation：通过将NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜上的两个摄像机拍摄的标志性PillarsofCreation图像组合在一起，宇宙在其荣耀中被框定。这些柱子是前景中的尘埃和气体云，它们旋转并形成天体。JWST/NASA插图

之所以出现这个谜题，是因为围绕中心物体运行的物质不会简单地落入其中，因为角动量守恒使行星和土星环不会从其轨道上翻滚。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。

弗吉尼亚大学理论家史蒂文巴尔布斯和约翰霍利于1991年首次提出了这个难题的解决方案，即标准磁旋转不稳定性(SMRI)理论。他们建立在这样一个事实的基础上：磁场的行为就像弹簧一样，连接导电流体(无论是等离子体还是液态金属)中的不同流体部分。

这使得无处不在的阿尔芬波(以诺贝尔奖获得者汉内斯·阿尔芬命名)在旋转流体的惯性和磁场的弹性之间产生湍流来回力，导致角动量在不同部分之间传递磁盘。

SMRI理论说，这种湍流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至数十亿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，但未通过实验或观察证明。

“直到现在，这仍然是理论上的，”PPPL物理学家YinWang说，他是最近两篇论文的主要作者，一篇发表在PhysicalReviewLetters上，一篇发表在NatureCommunications上，详细介绍了实验、数值和理论相结合的证实。Wang说，PPPL开发的新型MRI设备的最新结果“已成功检测到SMRI的特征”。

“这是个好消息，”理论共同开发者史蒂文巴尔布斯说，他是80年代初期普林斯顿大学的博士后研究员。“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HantaoJi和普林斯顿的JeremyGoodman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解决的问题，这是实验室研究的一项重大成就。”