Version remplie d'eau de l'expérience IRM montrant un cylindre extérieur transparent et un cylindre intérieur noirci. Des lasers rouges entrent au fond pour mesurer la vitesse locale de l'eau. Crédit :Eric Edlund et Elle Starkman
Comment les étoiles et les planètes se sont-elles développées à partir des nuages de poussière et de gaz qui remplissaient autrefois le cosmos ? Une nouvelle expérience au laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) a démontré la validité d'une théorie répandue connue sous le nom d'« instabilité magnéto-rotative, " ou IRM, qui cherche à expliquer la formation des corps célestes.
La théorie soutient que l'IRM permet des disques d'accrétion, nuages de poussière, gaz, et du plasma qui tourbillonne autour des étoiles et des planètes en croissance ainsi que des trous noirs, de s'effondrer en eux. Selon la théorie, cet effondrement se produit parce que le plasma tourbillonnant turbulent, techniquement connu sous le nom de « flux kepleriens, " devient progressivement instable à l'intérieur d'un disque. L'instabilité entraîne une diminution du moment angulaire - le processus qui empêche les planètes en orbite d'être attirées par le soleil - à diminuer dans les sections internes du disque, qui tombent alors dans les corps célestes.
Contrairement aux planètes en orbite, la matière dans les disques d'accrétion denses et encombrés peut subir des forces telles que le frottement qui font perdre le moment angulaire des disques et sont attirés dans les objets autour desquels ils tourbillonnent. Cependant, de telles forces ne peuvent pas expliquer complètement à quelle vitesse la matière doit tomber dans des objets plus gros pour que les planètes et les étoiles se forment sur une échelle de temps raisonnable.
Expérience IRM
Chez PPPL, les physiciens ont simulé le processus plus large hypothétique dans l'expérience d'IRM du laboratoire. Le dispositif unique se compose de deux cylindres concentriques qui tournent à des vitesses différentes. Dans cette expérience, les chercheurs ont rempli les cylindres d'eau et ont attaché une boule en plastique remplie d'eau attachée par un ressort à un poteau au centre de l'appareil; le ressort d'étirement et de flexion imitait les forces magnétiques du plasma dans les disques d'accrétion. Les chercheurs ont ensuite fait tourner les cylindres et filmé le comportement de la balle vu de haut en bas.
Disque d'accrétion simulé tourbillonnant autour d'un corps céleste. Crédit :Michael Owen et John Blondin, Université d'État de Caroline du Nord.
Les résultats, signalé dans Physique des communications , comparé les mouvements de la bille attachée par ressort lors de la rotation à différentes vitesses. "Sans étirement, rien n'arrive au moment cinétique, " dit Hantao Ji, professeur de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton et chercheur principal sur l'IRM et co-auteur de l'article. "Rien ne se passe aussi si le ressort est trop fort."
Cependant, la mesure directe des résultats a révélé que lorsque l'attache par ressort était faible, ce qui était analogue à l'état des champs magnétiques dans les disques d'accrétion, le comportement du moment angulaire de la balle était cohérent avec les prédictions IRM des développements dans un disque d'accrétion réel. Les résultats ont montré que la boule rotative faiblement attachée gagnait un moment angulaire et se déplaçait vers l'extérieur au cours de l'expérience. Puisque le moment cinétique d'un corps en rotation doit être conservé, tout gain de quantité de mouvement doit être compensé par une perte de quantité de mouvement dans la section intérieure, permettant à la gravité d'attirer le disque dans l'objet en orbite.
