Baanbrekende laboratoriumbevestiging van de belangrijkste theorie achter de vorming van planeten, sterren en superzware zwarte gaten

Deze doorbraak bevestigt meer dan 20 jaar aan experimenten bij PPPL, gebaseerd op Princeton University en gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE).

 Bij de foto: Pillars of Creation: Het universum is in zijn glorie vastgelegd door beelden van de iconische Pillars of Creation te combineren van twee camera's aan boord van NASA's James Webb Space Telescope. De pilaren zijn wolken van stof en gas die rondwervelen en hemellichamen vormen. Foto: JWST/NASA

De puzzel ontstaat omdat materie die rond een centraal object draait er niet zomaar in valt, vanwege het zogenaamde behoud van impulsmoment dat planeten en de ringen van Saturnus ervan weerhoudt uit hun banen te tuimelen. Dat komt omdat de middelpuntvliedende kracht naar buiten toe de inwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht op de ronddraaiende materie compenseert. Maar de wolken van stof en plasma, accretieschijven genaamd, die rond wervelen en ineenstorten tot hemellichamen, doen dat in strijd met het behoud van impulsmoment.    

De wolken van stof en plasma, accretieschijven genaamd, die rondwervelen en instorten tot hemellichamen, doen dit echter in weerwil van het behoud van impulsmoment.

De oplossing voor deze puzzel, een theorie die bekend staat als de Standaard Magnetorotationele Instabiliteit (SMRI), werd voor het eerst voorgesteld in 1991 door de theoretici Steven Balbus en John Hawley van de Universiteit van Virginia. Zij baseerden zich op het feit dat in een vloeistof die elektriciteit geleidt, of dat nu plasma of vloeibaar metaal is, magnetische velden zich gedragen als veren die verschillende delen van de vloeistof met elkaar verbinden.

Hierdoor kunnen de alomtegenwoordige Alfvén-golven, genoemd naar Nobelprijswinnaar Hannes Alfvén, een turbulente heen-en-weer gaande kracht creëren tussen de inertie van de wervelende vloeistof en de veerkracht van het magnetische veld, waardoor impulsmoment wordt overgedragen tussen verschillende delen van de schijf.

Deze turbulente instabiliteit verschuift het plasma naar een stabielere configuratie, zegt de SMRI-theorie. De verschuiving duwt het baanbehoudende impulsmoment naar buiten in de richting van de rand van de schijf, waardoor binnenste delen vrijkomen om gedurende miljoenen tot miljarden jaren in de omcirkelde hemellichamen in te storten, waardoor planeten en sterren ontstaan. Het proces is numeriek geverifieerd, maar niet experimenteel of observationeel aangetoond.

"Dit is tot nu toe theoretisch gebleven", zegt PPPL-natuurkundige Yin Wang, hoofdauteur van twee recente artikelen, een in Physical Review Letters en een artikel van Nature Communications waarin de gecombineerde experimentele, numerieke en theoretische bevestiging wordt beschreven. Recente resultaten die zijn geproduceerd op het nieuwe MRI-apparaat dat is ontwikkeld bij PPPL "hebben met succes de handtekening van SMRI gedetecteerd", zei Wang.

"Dit is geweldig nieuws", zei theorie-medeontwikkelaar Steven Balbus, een postdoctoraal onderzoeker aan Princeton in de vroege jaren tachtig. "Dat we dit nu in het laboratorium kunnen bestuderen, is een prachtige ontwikkeling, zowel voor de astrofysica als voor de magnetohydrodynamica in het algemeen."

Het MRI-apparaat, aanvankelijk bedacht door natuurkundigen Hantao Ji van PPPL en Jeremy Goodman van Princeton, beide co-auteurs van deze artikelen, bestaat uit twee concentrische cilinders die met verschillende snelheden ronddraaien, waardoor een stroom ontstaat die een wervelende accretieschijf nabootst.

Het experiment draaide galinstan rond, een vloeibare metaallegering ingesloten in een magnetisch veld. De doppen die de boven- en onderkant van de cilinders afdichten, draaien met een gemiddelde snelheid, wat bijdraagt aan het experimentele effect.

Natuurkundigen plannen nu nieuwe experimentele en numerieke studies om de gerapporteerde SMRI verder te karakteriseren. Eén studie zal de cruciale buitenwaartse verschuiving van impulsmoment testen door de snelheid van het wervelende vloeibare metaal te meten, samen met de afmetingen van het magnetische veld en de correlaties daartussen.

"Deze studies zullen het opkomende gebied van interdisciplinaire laboratoriumastrofysica vooruit helpen," zei Wang. "Ze illustreren hoe astrofysica in laboratoria kan worden gedaan om problemen op te lossen die ruimtetelescopen en satellietmissies alleen niet aankunnen, een belangrijke prestatie voor laboratoriumonderzoek."