En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) se ha producido la primera demostración en laboratorio de la teoría, ya antigua pero nunca antes confirmada, de la desconcertante formación de planetas, estrellas y agujeros negros supermasivos por remolinos de materia circundante. Este avance culmina más de 20 años de experimentos en el PPPL, que tiene su sede en la Universidad de Princeton y está financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE).
El enigma surge porque la materia que orbita alrededor de un objeto central no cae simplemente en él, debido a lo que se denomina conservación del momento angular, que impide que los planetas y los anillos de Saturno se salgan de sus órbitas. Esto se debe a que la fuerza centrífuga hacia el exterior equilibra la atracción de la gravedad hacia el interior de la materia en órbita. Sin embargo, las nubes de polvo y plasma llamadas discos de acreción que se arremolinan y colapsan en los cuerpos celestes lo hacen desafiando la conservación del momento angular.
Steven Balbus y John Hawley, teóricos de la Universidad de Virginia, propusieron por primera vez en 1991 la solución a este enigma, una teoría conocida como Inestabilidad Magnetorotacional Estándar (SMRI, por sus siglas en inglés). Se basaban en el hecho de que en un fluido conductor de electricidad, ya sea plasma o metal líquido, los campos magnéticos se comportan como muelles que conectan distintas secciones del fluido. Esto permite que las omnipresentes ondas de Alfvén, que deben su nombre al Premio Nobel Hannes Alfvén, creen una fuerza turbulenta de vaivén entre la inercia del fluido arremolinado y la elasticidad del campo magnético, provocando la transferencia de momento angular entre las distintas secciones del disco.
Según la teoría del SMRI, esta inestabilidad turbulenta desplaza el plasma hacia una configuración más estable. El cambio empuja el momento angular que conserva la órbita hacia el borde del disco, liberando las secciones interiores para que colapsen durante millones o miles de millones de años en los cuerpos celestes circundantes, creando los planetas y las estrellas que salen por la noche. El proceso se ha verificado numéricamente, pero no se ha demostrado ni experimental ni observacionalmente.
Esto ha permanecido teórico hasta ahora, dijo el físico del PPPL Yin Wang, autor principal de dos artículos recientes, uno en Physical Review Letters y otro en Nature Communications que detalla la confirmación experimental, numérica y teórica combinada. Los resultados recientes producidos en el novedoso dispositivo de IRM desarrollado en el PPPL han detectado con éxito la firma de la IRSM, afirmó Wang.
Es una gran noticia, afirma Steven Balbus, cofundador de la teoría y becario posdoctoral en Princeton a principios de los años ochenta. Poder estudiarlo ahora en el laboratorio es un avance maravilloso, tanto para la astrofísica como para el campo de la magnetohidrodinámica en general.
El dispositivo MRI, concebido inicialmente por los físicos Hantao Ji, de PPPL, y Jeremy Goodman, de Princeton, ambos coautores de estos trabajos, consiste en dos cilindros concéntricos que giran a velocidades diferentes, creando un flujo que imita un disco de acreción arremolinado. El experimento hizo girar galinstán, una aleación metálica líquida encerrada en un campo magnético. Las tapas que sellan la parte superior e inferior de los cilindros giran a una velocidad intermedia, lo que contribuye al efecto experimental.
Los físicos planean ahora nuevos estudios experimentales y numéricos para seguir caracterizando el SMRI descrito. Uno de los estudios pondrá a prueba el crucial desplazamiento hacia el exterior del momento angular midiendo la velocidad del metal líquido en remolino junto con las dimensiones del campo magnético y las correlaciones entre ellas.
Estos estudios harán avanzar el campo emergente de la astrofísica de laboratorio interdisciplinaria, afirmó Wang. Ilustran cómo la astrofísica puede realizarse en laboratorios para ayudar a resolver problemas que los telescopios espaciales y las misiones por satélite no pueden manejar por sí solos, un gran logro para la investigación en laboratorio.
Fuentes
Princeton University | Yin Wang, Erik P. Gilson, Fatima Ebrahimi, Jeremy Goodman, and Hantao Ji, Observation of Axisymmetric Standard Magnetorotational Instability in the Laboratory. Phys. Rev. Lett. 129, 115001. doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.115001 | Wang, Y., Gilson, E.P., Ebrahimi, F. et al. Identification of a non-axisymmetric mode in laboratory experiments searching for standard magnetorotational instability. Nat Commun 13, 4679 (2022). doi.org/10.1038/s41467–022–32278–0
