Confirmation PPPL révolutionnaire de la théorie clé derrière la formation des planètes, des étoiles et des trous noirs supermassifs

Newswise – La première réalisation en laboratoire de la théorie de longue date mais jamais confirmée auparavant de la formation déroutante de planètes, d’étoiles et de trous noirs supermassifs en faisant tourbillonner la matière environnante a été produite au Princeton Plasma Physics Laboratory du Département américain de l’énergie (DOE) ( PPPL). Cette confirmation révolutionnaire couronne plus de 20 ans d’expériences au PPPL, le laboratoire national consacré à l’étude de la science des plasmas et de l’énergie de fusion.

L’énigme surgit parce que la matière en orbite autour d’un objet central ne tombe pas simplement dedans, en raison de ce qu’on appelle la conservation du moment cinétique qui empêche les planètes et les anneaux de Saturne de tomber de leurs orbites. C’est parce que la force centrifuge vers l’extérieur compense l’attraction de la gravité vers l’intérieur sur la matière en orbite. Cependant, les nuages ​​de poussière et de plasma appelés disques d’accrétion qui tourbillonnent et s’effondrent dans les corps célestes le font au mépris de la conservation du moment cinétique.

Solution de casse-tête

La solution à ce casse-tête, une théorie connue sous le nom d’instabilité magnétorotationnelle standard (SMRI), a été proposée pour la première fois en 1991 par les théoriciens de l’Université de Virginie, Steven Balbus et John Hawley. Ils se sont appuyés sur le fait que dans un fluide conducteur d’électricité, qu’il s’agisse de plasma ou de métal liquide, les champs magnétiques se comportent comme des ressorts reliant différentes sections du fluide. Cela permet aux ondes d’Alfvén omniprésentes, du nom du lauréat du prix Nobel Hannes Alfvén, de créer une force de va-et-vient entre l’inertie du fluide tourbillonnant et l’élasticité du champ magnétique, provoquant le transfert rapide du moment cinétique entre différentes sections du disque.

Cette puissante instabilité déplace le plasma vers une configuration plus stable, selon la théorie SMRI. Le changement pousse le moment cinétique de conservation de l’orbite vers le bord du disque, libérant les sections internes pour qu’elles s’effondrent sur des millions d’années dans les corps célestes encerclés, créant les planètes et les étoiles qui sortent la nuit. Le processus a été vérifié numériquement, mais jamais démontré expérimentalement ou par observation jusqu’à présent.

“Cela est resté théorique jusqu’à présent”, a déclaré le physicien Yin Wang, auteur principal de deux articles récents, un en septembre en Lettres d’examen physique (PRL) et un Communication Nature papier publié en août qui détaille la confirmation expérimentale, numérique et théorique combinée. Des résultats récents produits sur le nouvel appareil IRM développé au laboratoire, “ont réussi à détecter la signature du SMRI”, a déclaré Wang. Les coauteurs des articles incluent les physiciens Erik Gilson et Fatima Ebrahimi de PPPL.

“Bonne nouvelle”

“C’est une excellente nouvelle”, a déclaré le co-développeur de la théorie Steven Balbus. “Pouvoir maintenant étudier cela en laboratoire est un formidable développement, à la fois pour l’astrophysique et pour le domaine de la magnétohydrodynamique plus généralement.

L’appareil IRM, initialement conçu par les physiciens Hantao Ji de PPPL et Jeremy Goodman de Princeton, tous deux coauteurs de ces articles, se compose de deux cylindres concentriques qui tournent à des vitesses différentes, créant un flux qui imite un disque d’accrétion tourbillonnant. L’expérience a fait tourner le galinstan, un alliage métallique liquide enfermé dans un champ magnétique. Les bouchons qui scellent le haut et le bas des cylindres tournent à une vitesse intermédiaire, contribuant à l’effet expérimental.

Les physiciens prévoient maintenant de nouvelles études expérimentales et numériques pour mieux caractériser le SMRI rapporté. Une étude testera le déplacement crucial vers l’extérieur du moment cinétique en mesurant la vitesse du métal liquide tourbillonnant ainsi que les dimensions du champ magnétique et les corrélations entre elles.

“Ces études feront progresser le domaine émergent de l’astrophysique de laboratoire interdisciplinaire”, a déclaré Wang. “Ils illustrent comment l’astrophysique peut être effectuée dans les laboratoires pour aider à résoudre des problèmes que les télescopes spatiaux et les missions satellitaires ne peuvent pas gérer seuls, une réalisation majeure pour la recherche en laboratoire.”

Le soutien à cette percée provient de la NASA, du DOE et de la National Science Foundation (NSF) dans le cadre d’un projet conjoint du Département des sciences astrophysiques de Princeton et de PPPL. La recherche a grandement bénéficié au fil des ans du soutien de la NSF et du DOE pour les collaborations entre le NSF Physics Frontier Center for Magnetic Self-Organization et le Max-Planck Princeton Center for Fusion and Astro Plasma Physics.

PPPL, sur le campus Forrestal de l’Université de Princeton à Plainsboro, NJ, se consacre à la création de nouvelles connaissances sur la physique des plasmas – gaz ultra-chauds et chargés – et au développement de solutions pratiques pour la création d’énergie de fusion. Le laboratoire est géré par l’Université pour le bureau des sciences du département américain de l’énergie, qui est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https://energy.gov/science

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