Forskere i USA har designet et eksperiment, der forsøger at simulere den komplekse dynamik af astrofysiske tilvækstskiver tættere end nogensinde før. Yin Wang og kolleger ved Princeton University gjorde dette ved at tilpasse tidligere eksperimentelle teknikker for at undgå uønskede strømninger i deres simulerede skive, mens de i højere grad repræsenterede den magneto-rotations-ustabilitet, der menes at dukke op i ægte accretion-skiver.
Akkretionsskiver er hvirvlende stofhvirvler, der dannes, når massive objekter såsom sorte huller og nydannede stjerner samler gas og støv fra deres interstellare omgivelser. Tilstrømningen af dette materiale fører til planetdannelse og producerer den intense stråling, der udsendes fra nærheden af nogle sorte huller.
For at gas og støv kan bevæge sig tættere på det massive objekt, skal det overføre vinkelmomentum til den ydre kant af skiven - og en forklaring på, hvordan dette sker, har unddraget astronomer. En førende teori er, at denne overførsel er drevet af turbulente strømme i skiven. For at udforske denne idé har tidligere undersøgelser brugt en Taylor Couette-opsætning, hvor en væske fylder hullet mellem to koncentriske cylindre, der kan roteres uafhængigt.
Astrofysik i laboratoriet
Ved at rotere den ydre cylinder langsommere end den indre cylinder og omhyggeligt kontrollere deres respektive bevægelser, kan forskere nøje genskabe bevægelserne af udviklende tilvækstskiver så tæt som muligt. Deres mål her er at afgøre, om turbulente strømme virkelig kan være ansvarlige for deres vinkelmomentumoverførsel.
Ud over den klare begrænsning, at disse bevægelser ikke er drevet af tyngdekraften, skal væsken dog også holdes lodret af øvre og nedre hætter. Dette introducerer sekundære strømme til væsken, uden analog i rigtige tilvækstskiver. En nylig undersøgelse udført i Paris reducerede påvirkningen af disse uønskede strømme ved at påføre et lodret magnetisk felt på en flydende metalskive – hvilket i højere grad genskabte den elektriske ledningsevne af ægte accretionsskiver. Det parisiske hold genskabte dog ikke helt de ønskede turbulente flows.
En mulig drivkraft for turbulens i accretion discs er magneto-rotationsinstabilitet (MRI): som bedre kunne forklare, hvordan en differentielt roterende, elektrisk ledende væske kan destabiliseres af et magnetfelt. Dette koncept er blevet undersøgt bredt teoretisk, men er stadig ikke blevet bekræftet i Taylor Couette-eksperimenter på grund af vanskeligheder med at indstille de passende parametre.
Ledende væske
Wangs team har løst denne udfordring ved at bruge en væske kaldet galinstan, som er en flydende legering af gallium, indium og tin, der er omkring dobbelt så tyktflydende som vand og omkring 100 millioner gange mere ledende af elektricitet. For at eliminere sekundære strømme implementerede de også et par elektrisk ledende hætter, som roterede uafhængigt med hastigheder mellem de indre og ydre cylindere.
Flydende metal-eksperiment simulerer astrofysiske tilvækstskiver
Da de påførte et lodret magnetfelt langs cylindrenes rotationsakse, målte forskerne væskens magnetiske Reynolds-tal, som karakteriserer, hvordan et magnetfelt interagerer med en ledende væske. Det er afgørende, at de observerede, at denne værdi passerede en vis tærskel: ud over hvilken styrken af det magnetiske felt, der passerede gennem den indre cylinder, begyndte at stige ikke-lineært - hvilket indikerer, at MR var blevet udløst.
Simuleringer har også været i stand til at gengive denne adfærd, så holdets observationer er et vigtigt skridt fremad i forskernes evne til at reproducere accretion disc-dynamik i rigtige eksperimenter; og i sidste ende, ved at besvare det langvarige mysterium omkring overførslen af vinkelmomentum i accretion discs.
Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.
