Forskere i Frankrig har lavet et nyt eksperiment, der kan forbedre vores forståelse af dynamikken i stjernernes og sorte huls tilvækstskiver. Designet af Marlone Vernet og kolleger ved Sorbonne University of Paris bruger eksperimentet en kombination af radiale elektriske felter og lodrette magnetfelter til at indeholde en roterende skive af flydende metal. Dette gjorde det muligt for holdet at observere, hvordan vinkelmomentum overføres i skiven - noget, der kunne give indsigt i planetdannelsen og regionerne omkring sorte huller.
Accretion er den proces, hvorved et massivt objekt såsom en stjerne eller et sort hul trækker gas og støv ind fra omgivelserne. Resultatet er en cirkulerende tilvækstskive, hvor gassen og støvet kommer tættere og tættere på den massive genstand. I stjernesystemer dannes planeter inden for tilvækstskiver, og astronomer kan studere sorte huller ved at observere strålingen fra deres tilvækstskiver.
For at støvet og gassen kan bevæge sig stadig tættere på den massive genstand, skal den på en eller anden måde miste vinkelmomentum undervejs. Som et resultat skal vinkelmomentum overføres fra indersiden af en tilvækstskive til dens ydre kant. Præcis hvordan dette sker, er dog stadig et mysterium. En mulighed er, at friktion mellem de indre og ydre dele af den del af den roterende skive overfører vinkelmomentum udad - men viskositeten af skiver synes alt for lav til, at det kan ske.
Turbulente forskydningsstrømme
En mere plausibel forklaring er, at vinkelmomentoverførslen forstærkes af turbulente forskydningsstrømme i skiven. Men på trods af årtiers nøje undersøgelse med både teleskopbilleder og computersimuleringer, er mekanismerne, der driver denne turbulens, stadig uklare.
Dette har inspireret astrofysikere til at tage til laboratoriet og lave eksperimenter, der er analoger til accretionsskiver. I et typisk eksperiment er en væske indeholdt i rummet mellem to uafhængigt roterende cylindre. I stedet for tyngdekraften drives væsken i bevægelse gennem viskøs friktion med de to cylindre. Ved at justere cylindrenes rotationshastigheder kan forskerne genskabe de radiale bevægelser, der observeres i rigtige tilvækstskiver - hvilket giver nogle indsigter i, hvordan vinkelmomentum transporteres udad.
Denne opsætning er dog langt fra at være en ideel analog til astrofysiske accretion-skiver. Ikke kun er væskens bevægelse drevet af en kraft i modsætning til tyngdekraften, væsken skal også være lodret indeholdt af øvre og nedre hætter. Gennem tyktflydende friktion introducerer disse grænser sekundære strømme til væsken, som ikke har nogen modstykke i en reel tilvækstskive.
Begrænsede sekundære strømme
I deres undersøgelse lavede Vernets team et nyt eksperiment, hvor et flydende metal drives i bevægelse af et radialt elektrisk felt. Dette felt genereres ved at sende en strøm mellem en ydre, ringformet elektrode og en central cylinder. Selvom væsken stadig er lodret lukket, er omfanget af de sekundære strømme begrænset af et lodret magnetfelt, som skabes af spoler placeret over og under skiven.
Tilvækst, ikke kolliderende spaghetti, blusser op, mens stjernen fortæres af sort hul
I deres eksperiment var forskerne i stand til at kontrollere både væskens rotationshastighed og dens turbulensniveau. Ved at sondere væsken med sensorer opdagede de, at vinkelmomentet faktisk blev drevet udad af turbulente strømme inde i hovedparten af skiven. Hvad mere er, dette skete ved meget lave værdier af molekylær viskositet. Dette minder meget om observationer af rigtige tilvækstskiver, hvor materialet mister sin vinkelmomentum og falder indad – på trods af en tydelig mangel på viskositet i gassen og støvet.
Sekundære strømme er stadig til stede i eksperimentet, hvilket betyder, at holdet ikke var i stand til fuldt ud at simulere turbulente strømme i tilvækstskiver. Med yderligere forbedringer håber forskerne imidlertid, at suspenderede flydende metalskiver snart kan gøre det muligt for astronomer at estimere niveauet af turbulens forbundet med de tilvækstskiver, de observerer.
Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.
