Учёные раскрыли механизм формирования планет из-за «космического колебания»

Художественное представление сверхмассивной чёрной дыры, окружённой аккреционным диском. Автор: NASA

Учёные провели эксперименты с вращающимися цилиндрами и обнаружили, что неравномерное колебание в кольце электропроводящей жидкости (например, жидкого металла или плазмы) заставляет частицы внутри кольца смещаться к центру. Поскольку подобные плазменные кольца существуют вокруг звёзд и чёрных дыр, это открытие предполагает, что такие колебания могут вызывать падение вещества к центральной массе, формируя планеты.

Исследователи выяснили, что колебание может возникать новым, неожиданным способом. Ранее было известно, что оно усиливается из-за взаимодействия плазмы с магнитными полями в гравитационном поле. Однако новые данные показывают, что колебания легче возникают в области между двумя потоками жидкости с разными скоростями — так называемом свободном сдвиговом слое.

«Это открытие означает, что колебания могут встречаться во Вселенной чаще, чем мы думали, и, возможно, отвечают за формирование большего числа планетных систем», — заявил Инь Ван, ведущий автор исследования из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL).

Результаты дополняют предыдущие данные 2022 года, где изучалось более простое поведение жидкости. Вместе эти открытия подтверждают, что магнитовращательная неустойчивость (MRI) может вызывать образование планет из аккреционных дисков вокруг звёзд.

Инь Ван настраивает устройство для эксперимента по магнитовращательной неустойчивости. Автор: Michael Livingston / PPPL

Моделирование звёздного диска в лаборатории

Эксперимент 2022 года проводился на установке MRI Experiment, состоящей из двух вращающихся цилиндров, заполненных жидким металлом (галлинстаном — смесью галлия, индия и олова). Учёные создали условия, имитирующие разную скорость движения вещества в аккреционном диске, и применили магнитное поле.

Компьютерный анализ показал, что в плазме возникла форма MRI, при которой силовые линии магнитного поля не были однородными, а закручивались, создавая неравномерные колебания. Это привело к тому, что внешние частицы ускорялись, а внутренние — замедлялись и падали к центру, формируя планеты.

Крупный план жидкого металла в эксперименте MRI. Автор: Michael Livingston / PPPL

Компьютерное моделирование подтвердило гипотезу

С помощью программ SFEMaNS и Dedalus учёные смоделировали поведение плазмы и подтвердили, что неосесимметричная MRI возникает при столкновении потоков с разными скоростями. Это явление напоминает турбулентность, но с дополнительным влиянием магнитного поля.

«Это новое понимание помогает разгадать давнюю астрофизическую загадку», — отметила Фатима Эбрахими, соавтор исследования.

В работе также участвовали Эрик Гилсон, Хантао Цзи, Джереми Гудман и студент-стажёр Хонке Лу. Подробности исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.