Turbulenţele cosmice duc la apariţia stelelor şi a găurilor negre

Modul prin care se formează găurile negre din Univers, dintr-o materie aflată în mişcare de rotaţie, reprezintă una dintre marile întrebări din astrofizică. Ceea ce cunoaştem este că un element important în acest proces îl reprezintă câmpurile magnetice.

Cu toate acestea, conform celor înţelese până în prezent, câmpurile magnetice acţionează numai în cazul în care materia conduce bine electricitatea, dar în discurile de materie, aflate în mişcare de rotaţie, această condiţie nu este întotdeauna îndeplinită. Recent, într-un nou studiu,  elaborat de fizicienii ce lucrează în cadrul laboratorului de cercetări Helmholtz-Zentrum Dresda-Rossendorf şi publicat în revista ştiinţifică Physical Review Letters, se arată modul prin care câmpurile magnetice pot provoca, de asemenea, turbulenţe în „zonele moarte", contribuind la o mai bună înţelegere a modului prin care se formează aceste obiecte compacte în cosmos.

Această imagine artistică prezintă un disc protoplanetar
Credit: Pat Rawlings/NASA

Atunci când Johannes Kepler a propus, pentru prima dată, legile sale privind mişcarea planetelor din sistemul solar, în primele zile ale secolului al XVII-lea, el nu ar fi putut prevedea rolul central pe care îl joacă câmpurile magnetice cosmice în procesul de formare a sistemului planetar. Astăzi ştim că în absenţa unor câmpuri magnetice, materia nu ar fi capabilă să se concentreze în obiecte compacte, cum ar fi stele şi găuri negre. Un exemplu important îl reprezintă sistemul nostru solar care s-a format în urmă cu 4,6 miliarde de ani prin colapsul un gigantic nor de gaz a cărui acţiune gravitaţională a concentrat particulele de materie în centrul său, provocând formarea unui disc de mari dimensiuni. „Aceste discuri de acreţie sunt extrem de stabile din punct de vedere hidrodinamic, ele respectă legile lui Kepler privind mişcările planetelor, la care momentul cinetic creşte de la centru spre periferie", explică dr. Frank Ştefani din partea HZDR. „În scopul de a explica rata de creştere a stelelor şi a găurilor negre, trebuie să existe o cauză care acţionează pentru a destabiliza discul rotativ şi care, în acelaşi timp, permite ca materia să se deplaseze spre centru iar momentului cinetic să crească spre periferie".

Anterior, în anul 1959, Evgenij Velikhov a presupus că acțiunea câmpurilor magnetice poate provoca turbulenţe în curgerile aflate într-o mişcare de rotaţie stabilă. Abia în anul 1991 astrofizicienii Steven Balbus şi John Hawley au înţeles, în mod complet, importanţa fundamentală pe care o are această instabilitate rotaţională magnetică (MRI) în procesul de formare a structurilor cosmice. Balbus şi Hawley vor primi premiul Nobel pentru astronomie, în valoare de un milion de dolari, care va fi acordat în luna septembrie a anului 2013. Cu toate acestea, pentru a se produce MRI, este necesar ca discurile aflate în rotaţie să posede un grad minim de conductivitate electrică. În zonele de conductivitate scăzută, cum ar fi „zonele moarte" din cadrul discurilor protoplanetare sau din regiunile îndepărtate ale discurilor de acreţie care înconjoară găurile negre supermasive, efectul produs de MRI ul este greu de stabilit numeric şi este, prin urmare, o problemă ce rămâne în discuţie. Oamenii de ştiinţă din cadrul HZDR care, până în prezent, au fost cei mai implicaţi în studiul experimental al MRI, au oferit acum o nouă explicaţie teoretică pentru acest fenomen.


Disputa dintre fizicieni şi astrofizicieni

Dacă încercaţi să simulaţi MRI într-un metal lichid de probă cu ajutorul unui câmp magnetic, orientat exclusiv vertical, acest câmp magnetic trebuie să fie destul de puternic. În acelaşi timp, deoarece viteza de rotaţie trebuie să fie foarte ridicată, aceste tipuri de experimente sunt extrem de complicate şi până în prezent ele nu s-au desfăşurat cu succes. În anul 2005, pentru prima dată, dr. Ştefani şi colegii săi de la HZDR şi Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam au reuşit să simuleze cu succes acest proces cosmic în laborator. Prin adăugarea unui câmp magnetic circular la cel vertical, ei au reuşit să observe MRI în condiţiile existenţei unor câmpuri magnetice de intensitate mai mică şi a unor viteze de rotaţie mai mici. Steven Balbus şi Hantao Ji în ediţia curentă, pe luna august, a revistei Physics Today, afirmă că unul dintre neajunsurile acestei turbulenţe „MRI elicoidale" este faptul că aceasta modifică in special profilurile vitezelor de rotaţie ale curgerii care sunt relativ abrupte spre periferie şi care, în acest mod, nu mai respectă legile lui Kepler.


Câmpurile magnetice şi curgerile aflate în mişcare de rotaţie se susţin reciproc

Oamenii de ştiinţă din cadrul HZDR combat acum acest argument, susţinut de astrofizicieni, cu ajutorul celor mai recente descoperiri ale lor. Calculele efectuate de dr. Oleg Kirillov şi dr. Frank Ştefani au demonstrat că MRI elicoidală respectă profilul de rotaţie keplerian doar în cazul în care câmpul magnetic circular se aplică cel puţin parţial în cadrul discului de acreţie şi nu se aplică în întregime din exterior. „Acest lucru este, de fapt, un scenariu mult mai realist. În cazul extrem în care nu există un câmp magnetic vertical, noi suntem în faţa unei probleme de tipul ce a fost mai întâi: oul sau găina. Un câmp magnetic circular acţionează pentru a destabiliza discul în rotaţie şi turbulenţele care rezultă generează componentele verticale ale câmpurilor magnetice. Ele, la rândul lor, generează câmpul magnetic circular din cauza formei speciale a mişcării de rotaţie a discului". Indiferent dacă există sau nu un câmp magnetic vertical, calculele curente arată că MRI poate apare chiar şi în zonele cu o conductivitate electrică scăzută, precum în „zonele moarte", o caracteristică pe care astrofizicienii nu au crezut, anterior, că este posibil să se producă.

Oamenii de ştiinţă din cadrul HZDR au beneficiat de experienţa lor, de lungă durată, în ceea ce priveşte cercetarea în laborator a câmpurilor magnetice cosmice, începând cu modelul de dinam al Pământului şi instabilitatea magneto-rotaţională până la instabilitatea Tayler. Aceasta din urmă se află într-o dezbatere intensă în rândul astrofizicienilor având legătura cu apariţia jeturilor cosmice şi formarea stelelor neutronice, printre altele, dar, de asemenea, ea trebuie să fie luată în considerare în vederea obţinerii de baterii din metal lichid, de exemplu. În acest moment, oamenii de ştiinţă planifică execuţia, la o scară mare, a unui experiment ce utilizează sodiu lichid, pe care speră să-l realizeze în următorii câţiva ani ca parte a proiectului DRESDYN. „După ce vom realiza acest experiment care, pentru prima dată, va combina MRI cu instabilitatea Tayler, ne vom putea îmbunătăţi în mare măsură înţelegerea cu privire la interacţiunea dintre diferitele fenomene cosmice magnetice", afirmă fericit Stefani. Indiferent de cine va triumfa din această competiţie amiabilă, fizicienii experimentalişti sau astrofizicienii teoreticieni, variaţia momentului cinetic în astrofizică şi în laborator va continua să fie un subiect aprins, aflat în continuă dezbatere.