In un corridoio del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, gli scienziati studiano il funzionamento di una macchina in una stanza piena di fili e componenti metallici. I ricercatori cercano di spiegare il comportamento di vaste nubi di polvere e altro materiale che circondano stelle e buchi neri e collassano per formare pianeti e altri corpi celesti.

Nuovi risultati riportati in Revisione fisica E ulteriormente la comprensione di una macchina nota come esperimento di instabilità magnetorotazionale (MRI), da cui prende il nome e ci avvicina al rilevamento della fonte dell'instabilità che provoca il collasso del materiale in tali corpi. Il fenomeno è stato a lungo ipotizzato ma mai dimostrato definitivamente di esistere.

I risultati dell'esperimento PPPL si concentrano sull'effetto delle calotte terminali in rame che formano confini artificiali al posto della gravità della natura sulla parte superiore e inferiore del vaso principale della macchina del laboratorio. Il dispositivo ospita due cilindri di nidificazione con lo spazio tra di loro riempito con una lega di metallo liquido nota come Galinstan.

"Stiamo cercando di ricreare le condizioni trovate nello spazio esterno in laboratorio, ma dobbiamo occuparci di questi endcaps, " dice il fisico PPPL Kyle Caspary, autore principale del paper. "Per affrontarli e scoprire la risonanza magnetica nel nostro apparato, dobbiamo comprendere appieno gli effetti dei limiti di endcap. Se riusciamo a capire meglio questo livello, potremmo far funzionare la macchina in un modo che ci permetta di discernere le fluttuazioni che vediamo dalla risonanza magnetica."

I cilindri annidati ruotano a velocità diverse, creando regioni del Galinstan che ruotano nei cilindri a velocità diverse. Questa rotazione imita i tassi di rotazione differenziali di polvere e altro materiale che vorticano nei cosiddetti dischi di accrescimento attorno a oggetti cosmici come stelle e buchi neri.

Mentre il liquido nei cilindri annidati gira, instabilità si verificano nella regione tra i due cilindri, proprio come le tempeste si sviluppano tra diverse masse d'aria. Gli scienziati del PPPL esaminano queste fluttuazioni per trovare prove dell'instabilità magnetorotazionale, che si pensa causi il collasso della materia nei dischi di accrescimento più rapidamente di quanto previsto dai modelli attuali.

"Gli astrofisici hanno ipotizzato che se ci fosse turbolenza nel flusso di materiale nei dischi di accrescimento, che potrebbe spiegare la discrepanza tra teoria e osservazione, " ha detto Erik Gilson, il fisico PPPL responsabile dell'esperimento MRI. "La turbolenza porterebbe a una maggiore viscosità del materiale che scorre, e questo significherebbe un tasso di accrescimento più elevato."

Mentre i tappi terminali sono essenziali per il funzionamento dell'esperimento MRI per evitare che la lega liquida schizzi fuori, non ci sono endcap nello spazio. Comprendere con precisione come gli endcap influenzano il comportamento del Galinstan consentirebbe quindi agli scienziati di tradurre i dati raccolti dall'esperimento MRI in una forma che corrisponda a ciò che accade in natura.

I dati raccolti da Caspary indicano che i terminali in rame, che conducono elettricità, sembrano rendere più probabile il verificarsi di determinate instabilità. Inoltre, le terminazioni conduttrici causano la transizione delle instabilità da una a molte frequenze, come sinfonie con più linee di suono. Le frequenze multiple sono la prova che gli endcap influenzano i campi magnetici nel metallo liquido. Quell'interazione tra gli endcap e i campi magnetici preserva la separazione delle regioni del Galinstan a movimento rapido e lento.

Caspary e Gilson ora sentono di essere più vicini a rilevare l'instabilità magnetrotazionale nello spazio. "Abbiamo acquisito alcune informazioni molto utili su come i confini influenzano la stabilità del flusso, e alcuni approfondimenti su come possiamo cambiare i nostri tassi di rotazione e come possiamo far girare la macchina per evitare instabilità, pur essendo ancora in un regno in cui possiamo trovare la risonanza magnetica, " disse Casper.