Формирование планет с древних времен будоражит умы ученых и астрономов, старающихся понять, как из газопылевого вещества вокруг молодых звезд со временем возникают полноценные планетарные системы. В последние десятилетия технологии и экспериментальные установки существенно продвинулись вперед, позволив имитировать физические процессы, происходящие в аккреционных дисках — вращающихся кольцах из газа и плазмы, окружающих звезды или черные дыры. Новейшие исследования, проведённые учёными из Принстонской лаборатории плазменной физики, пролили свет на ключевой механизм, отвечающий за формирование планет, — так называемую магнеторотационную неустойчивость (МRИ). Основой для уникальных открытий послужил эксперимент с двумя вложенными вращающимися цилиндрами, наполненными жидким металлом, имитирующим поведение плазмы в космосе. Этот метод позволил зафиксировать влияние неравномерных колебаний, или «качки», в кольце с электропроводящей жидкостью.
Ученые обнаружили, что подобный несимметричный «вибрационный» режим в свободном сдвиговом слое — зоне соприкосновения потоков с разной скоростью — вызывает смещение частиц внутрь к центру вращения. Данный процесс усиливает убывание материи в сторону центрального объекта, что, в свою очередь, способствует образованию планет путем скопления и слияния частиц. Важность этих результатов заключается в том, что ранее считалось, что качки и магнеторотационная неустойчивость возникают лишь из-за взаимодействия магнитных полей и гравитации. Новые данные демонстрируют, что подобные процессы могут происходить значительно чаще и в более разнообразных условиях, чем предполагалось ранее. Это открытие имеет прямое отношение к формированию большего числа солнечных систем во Вселенной, что меняет наши представления о частоте и масштабах планетообразования.
Эксперименты со специальным устройством MRI Experiment включали анализ поведения литой смеси металлов — галлия, индия и олова — позволяя воспроизвести скорость вращения внешнего и внутреннего слоев жидкости с разной интенсивностью. Размещение под воздействием внешнего магнитного поля дало возможность выявить проявления магнитогидродинамической неустойчивости, формирующей вихри и турбулентные структуры в регионе граничного слоя между потоками. Результаты были дополнительно подтверждены компьютерными моделями, созданными с использованием сложных симуляционных программ SFEMaNS и Dedalus. Эти модели не только воспроизводили экспериментальные данные, но и углубляли понимание динамики нестабильности, продемонстрировав, что магнитные силовые линии изгибаются и переплетаются, создавая условия для усиления неравномерностей и продвижения частиц внутрь кольца. Аналогии с природными процессами, например вихрями, возникающими при встрече воздушных масс или турбулентностью солнечной поверхности, помогают лучше осознать масштаб и значение наблюдаемых явлений.
Подобные турбулентные структуры с комплексным взаимодействием магнитных и гидродинамических сил могут влиять как на формирование звезд, так и на развитие черных дыр, что расширяет горизонты астрофизики. Один из ведущих ученых проекта Юин Ванг, работающий в лаборатории DOE Princeton Plasma Physics Laboratory, подчеркнул, что открытая связь между несимметричной MRI и появлением планетарных структур указывает на более частое происхождение систем планет, чем считалось ранее. Это, в свою очередь, может иметь значение для широкого круга астрономических наблюдений и поисков экзопланет, а также для интерпретации данных растущих телескопических комплексов. Помимо фундаментального научного интереса, такие исследования расширяют возможности моделирования космического материи и ее поведения в экстремальных условиях, что имеет потенциал для будущих астрофизических трансляций и космических миссий. В результате новое понимание природы вращающегося газа вокруг массивных космических объектов открывает дверь к решению одной из давних тайн астрофизики — как обычное вещество, находящееся в орбите, способно спонтанно переходить в плотные скопления с последующим образованием планет и других тел.
Современные методы, связывающие экспериментальные установки с цифровыми симуляциями, позволяют воспроизвести долгосрочные эволюционные процессы в лабораторных условиях, значительно ускоряя накопление знаний и формирование новых моделей. Это особенно важно для объяснения ранних этапов формирования звездных систем и взаимосвязи между магнитными полями, турбулентностью и гравитационными силами, которые зачастую сложно модели в космосе из-за масштабов и ограничений наблюдений. В дальнейшем ученые планируют расширить исследования, включая изучение влияния различных параметров магнитного поля и состава плазмы на динамику аккреционных дисков, а также изучать аналогичные процессы в контексте черных дыр и протозвездных облаков. Все это создаст более полное представление о взаимодействии физических сил и процессов, лежащих в основе формирования планет и структур Вселенной. В итоге, полученные знания и инновационные методы открывают новые перспективы для науки и могут стать базой для будущих открытий в области планетологии, звездной физики и космических исследований.
Они не только помогают понять происхождение родной Солнечной системы, но и предоставляют возможность оценить вероятность существования других планетарных систем, их устройство и эволюцию, что важно для поиска пригодных для жизни миров и формирования более точной картины Вселенной.
