Forscher in Frankreich haben ein neues Experiment entwickelt, das unser Verständnis der Dynamik der Akkretionsscheiben von Sternen und Schwarzen Löchern verbessern könnte. Entworfen von Marlone Vernet und Kollegen An der Sorbonne-Universität in Paris nutzt das Experiment eine Kombination aus radialen elektrischen Feldern und vertikalen Magnetfeldern, um eine rotierende Scheibe aus flüssigem Metall einzuschließen. Dadurch konnte das Team beobachten, wie der Drehimpuls innerhalb der Scheibe übertragen wird – etwas, das Einblicke in die Planetenentstehung und die Regionen um Schwarze Löcher liefern könnte.
Akkretion ist der Prozess, bei dem ein massereiches Objekt wie ein Stern oder ein Schwarzes Loch Gas und Staub aus seiner Umgebung ansaugt. Das Ergebnis ist eine kreisende Akkretionsscheibe, wobei Gas und Staub immer näher an das massive Objekt heranrücken. In Sternsystemen bilden sich Planeten innerhalb von Akkretionsscheiben und Astronomen können Schwarze Löcher untersuchen, indem sie die Strahlung ihrer Akkretionsscheiben beobachten.
Damit Staub und Gas immer näher an das massive Objekt heranrücken können, müssen sie auf dem Weg irgendwie an Drehimpuls verlieren. Daher muss der Drehimpuls vom Inneren einer Akkretionsscheibe auf ihren äußeren Rand übertragen werden. Wie genau dies geschieht, bleibt jedoch ein Rätsel. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Reibung zwischen den inneren und äußeren Teilen der rotierenden Scheibe den Drehimpuls nach außen überträgt – aber die Viskosität der Scheiben scheint dafür viel zu niedrig zu sein.
Turbulente Scherströmungen
Eine plausiblere Erklärung ist, dass die Drehimpulsübertragung durch turbulente Scherströmungen in der Scheibe verstärkt wird. Doch trotz jahrzehntelanger eingehender Untersuchungen sowohl anhand von Teleskopbildern als auch Computersimulationen sind die Mechanismen, die diese Turbulenzen antreiben, immer noch unklar.
Dies hat Astrophysiker dazu inspiriert, ins Labor zu gehen und Experimente durchzuführen, die den Akkretionsscheiben ähneln. In einem typischen Experiment befindet sich eine Flüssigkeit im Raum zwischen zwei unabhängig rotierenden Zylindern. Anstelle der Schwerkraft wird die Flüssigkeit durch viskose Reibung mit den beiden Zylindern in Bewegung gesetzt. Durch Anpassen der Rotationsgeschwindigkeiten der Zylinder können Forscher die in echten Akkretionsscheiben beobachteten Radialbewegungen nachbilden und so Einblicke in die Art und Weise gewinnen, wie Drehimpulse nach außen transportiert werden.
Dieser Aufbau ist jedoch alles andere als ein ideales Analogon zu astrophysikalischen Akkretionsscheiben. Die Bewegung der Flüssigkeit wird nicht nur durch eine Kraft im Gegensatz zur Schwerkraft angetrieben, die Flüssigkeit muss auch vertikal durch obere und untere Kappen eingeschlossen sein. Durch viskose Reibung führen diese Grenzen Sekundärströmungen in die Flüssigkeit ein, die in einer echten Akkretionsscheibe kein Gegenstück haben.
Begrenzte Sekundärströme
In ihrer Studie entwickelte Vernets Team ein neues Experiment, bei dem ein flüssiges Metall durch ein radiales elektrisches Feld in Bewegung gesetzt wird. Dieses Feld wird erzeugt, indem ein Strom zwischen einer äußeren, ringförmigen Elektrode und einem zentralen Zylinder fließt. Obwohl die Flüssigkeit immer noch vertikal abgedeckt ist, wird das Ausmaß der Sekundärströme durch ein vertikales Magnetfeld begrenzt, das durch über und unter der Scheibe angebrachte Spulen erzeugt wird.
Akkretion, nicht kollidierende Spaghetti, flackert auf, wenn ein Stern von einem schwarzen Loch verschlungen wird
In ihrem Experiment konnten die Forscher sowohl die Rotationsgeschwindigkeit als auch den Turbulenzgrad der Flüssigkeit steuern. Indem sie die Flüssigkeit mit Sensoren untersuchten, entdeckten sie, dass der Drehimpuls tatsächlich durch turbulente Strömungen im Inneren der Scheibe nach außen getrieben wurde. Darüber hinaus trat dies bei sehr niedrigen Werten der molekularen Viskosität auf. Dies ähnelt stark den Beobachtungen realer Akkretionsscheiben, bei denen Material seinen Drehimpuls verliert und nach innen fällt – trotz deutlich fehlender Viskosität im Gas und Staub.
Im Experiment sind noch Sekundärströmungen vorhanden, was bedeutet, dass das Team turbulente Strömungen in Akkretionsscheiben nicht vollständig simulieren konnte. Mit weiteren Verbesserungen hoffen die Forscher jedoch, dass schwebende Flüssigmetallscheiben es Astronomen bald ermöglichen könnten, das Ausmaß der Turbulenzen abzuschätzen, die mit den von ihnen beobachteten Akkretionsscheiben verbunden sind.
Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.
