一个难以证明的理论，终于被实验证实
以下文章来源于原理 ，作者不二北斗
一个复杂的过程
当我们谈到黑洞时，可能很多人会把它想象成一个巨大的“太空吸尘器”，它能吸走附近的所有物质。但事实上，物质落入黑洞的过程并没有那么简单。如果物质离黑洞不够近，且只感受到引力，它就可以无限地绕黑洞运行，就像太阳系中的行星绕太阳运行一样。
要被黑洞吞噬，还需要存在引力之外的东西，让物质可以足够靠近黑洞。这个过程就是吸积。事实上，无论是在吞噬物质的黑洞还是在形成行星的恒星系统周围，都可以观测到吸积盘的存在。
围绕着黑洞旋转的吸积盘。（图/NASA/Goddard Space Flight Center）
但要发生吸积，吸积盘中的物质就必须损失角动量，具体来说，角动量必须从吸积盘的内部向外部传递。然而，角动量是守恒的，而吸积过程中的角动量传递过程，显然违背了角动量守恒定律。
于是，一个长期困扰科学家的问题便产生了：究竟是什么驱动了角动量的传递？
难以证明的理论
1991年，理论物理学家Steven Balbus和John Hawley认为，标准磁旋转不稳定性（SMRI）是吸积盘中角动量传递的一种潜在机制，由SMRI驱动的湍流，很可能在吸积中发挥了重要作用。
Balbus和Hawley提出，无论是在等离子体还是液态金属中，磁场的存在会使得这些导电流体像被弹簧连接了一样，产生湍流，使角动量可以在吸积盘的不同部分之间传递。上图显示了在垂直磁场中的SMRI：图中的绿色小球代表了吸积盘中的导电流体，它们绕灰色的大质量天体运动，在轨道上慢慢彼此分离。当存在一个垂直于屏幕的磁场时，绿色小球会在回复力的作用下，相互牵引，宛若被弹簧相连。由于不同的绿色小球处于略微不同的轨道上，因此引力会对其产生转矩，更靠内的小球旋转得更快，然后被“弹簧”拉回，失去角动量，向有着更小半径的轨道回落；更靠外的小球会被加速，获得角动量，向外移动。“弹簧”会被进一步拉伸，转矩会增强，两个小球会继续以更快的速度分离。（图/素材来源：Hung et al. / Nature）
在过去30多年里，在理论和计算方面，SMRI已经得到了广泛的研究和验证。但一直以来，这种机制在实验和观测方面尚未得到明确验证。
直到现在，普林斯顿大学等离子体物理实验室的科学家用两篇分别发表在《物理评论快报》和《自然通讯》杂志上的论文，报告了他们首次在实验室中，利用一个巧妙的液态金属实验证实了SMRI理论的存在。
巧妙的泰勒-库埃特实验装置
验证SMRI的实验需要两个关键部分，一个是转动速度向外减小的导电流体，和一个中等强度的磁场。这可以通过在一种名为泰勒-库埃特流动系统的实验装置中添加液态金属来实现。这种装置由两个独立的同心同轴圆柱体组成，两个圆柱体以不同的速度旋转，之间的间隙可用于充满液体。
然而，在传统的泰勒-库埃特装置的顶部和底部，都存在要么与内圆柱体固定，要么与外圆柱体固定的端盖。而吸积盘的顶部和底部是没有盖子的。因此，传统的泰勒-库埃特装置中的流体的运动与天体周围的吸积盘是不一样的。在过去30年里，这种看似微不足道的差异，阻挠了想要用实验来验证SMRI的科学家的前进脚步。
在新研究中，普林斯顿的研究人员用一个巧妙的方法解决了这个困扰。在新搭建的泰勒-库埃特装置中，他们将顶部和底部的端盖设计成了两个可以独立旋转的环，让它们的转动速度就介于内外圆柱体之间。这样的设计可以有效缓解困扰传统的泰勒-库埃特实验的二次流。
实验装置由两个同心圆柱体组成，圆柱体之间被充满液态镓铟锡合金的间隙隔开。圆柱体以不同的速度旋转，实验顶部和底部的分体式端盖以介于圆柱体之间的速度旋转。最后，对系统施加中等强度的磁场。（图/APS/Carin Cain）
在两个圆柱体之间的间隙中充满了一种名为镓铟锡合金的液态金属合金。这是一种黏度大约是水的2倍，但电阻率约为水的亿分之一的材料。如此低的电阻率意味着在这种流体中，流动的电流对其运动有着非常重要的影响。
SMRI理论的初步实验验证
通过测量内圆柱体上的磁场的径向分量，研究人员揭示了SMRI理论所预期的特征。并发现当磁场超过一定的临界阈值时，径向分量的强度开始非线性增加，这是不稳定性的关键指标。
除了在实验中观测到了SMRI预测的种种行为，研究人员还进行了数值模拟。实验结果和模拟结果的结合进一步验证了SMRI理论。
这是一项意义重大的实验。因为长期以来，科学家一直怀疑SMRI是吸积的关键，却苦于没有实验证明，仅通过计算才知其存在。现在，这项工作为SMRI提供了坚实的实验基础。
研究人员表示，这项实验为角动量的传递进行了估计，但他们希望在未来的工作中，将可以更精确地测量这一物理量。另外，值得一提的是，镓铟锡合金的性质与构成吸积盘的等离子体的性质有很大不同。因此，未来的实验将需要研究黏度与电阻率都有别于镓铟锡合金不同的流体，以更好地了解天体的动力学。
#创作团队：
撰文：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://sites.google.com/pppl.gov/mri/about/how-it-works
https://sites.google.com/pppl.gov/mri/about/history
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32278-0
https://physics.aps.org/articles/v15/134
https://www.princeton.edu/news/2023/02/03/breakthrough-laboratory-confirmation-key-theory-behind-formation-planets-stars-and
#图片来源：
封面图&首图：NASA/Dana Berry
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