Forscher in den USA haben ein Experiment entwickelt, das versucht, die komplexe Dynamik astrophysikalischer Akkretionsscheiben genauer als je zuvor zu simulieren. Yin Wang und Kollegen von der Princeton University taten dies, indem sie frühere experimentelle Techniken anpassten, um unerwünschte Strömungen in ihrer simulierten Scheibe zu vermeiden, während sie die Magneto-Rotationsinstabilität, von der angenommen wird, dass sie in echten Akkretionsscheiben auftritt, genauer darstellen.
Akkretionsscheiben sind wirbelnde Materiewirbel, die entstehen, wenn massereiche Objekte wie Schwarze Löcher und neu entstehende Sterne Gas und Staub aus ihrer interstellaren Umgebung sammeln. Der Einstrom dieses Materials führt zur Planetenbildung und erzeugt die intensive Strahlung, die aus der Nähe einiger Schwarzer Löcher emittiert wird.
Damit Gas und Staub sich dem massiven Objekt nähern können, müssen sie einen Drehimpuls an den äußeren Rand der Scheibe übertragen – und eine Erklärung dafür, wie dies geschieht, ist den Astronomen entgangen. Eine führende Theorie besagt, dass diese Übertragung durch turbulente Strömungen in der Scheibe angetrieben wird. Um diese Idee zu untersuchen, haben frühere Studien einen Taylor-Couette-Aufbau verwendet, bei dem eine Flüssigkeit die Lücke zwischen zwei konzentrischen Zylindern füllt, die unabhängig voneinander gedreht werden können.
Astrophysik im Labor
Indem der äußere Zylinder langsamer gedreht wird als der innere Zylinder und die jeweiligen Bewegungen sorgfältig gesteuert werden, können die Forscher die Bewegungen sich entwickelnder Akkretionsscheiben so genau wie möglich nachbilden. Dabei wollen sie klären, ob wirklich turbulente Strömungen für deren Drehimpulsübertragung verantwortlich sein könnten.
Abgesehen von der klaren Einschränkung, dass diese Bewegungen nicht durch die Schwerkraft angetrieben werden, muss das Fluid jedoch auch vertikal durch obere und untere Kappen eingeschlossen werden. Dies führt sekundäre Strömungen in die Flüssigkeit ein, ohne Entsprechung in echten Akkretionsscheiben. Einer aktuellen Studie in Paris durchgeführt, reduzierten den Einfluss dieser unerwünschten Strömungen, indem sie ein vertikales Magnetfeld an eine Flüssigmetallscheibe anlegten – wodurch die elektrische Leitfähigkeit echter Akkretionsscheiben genauer nachgebildet wurde. Das Pariser Team hat die gewünschten turbulenten Strömungen jedoch nicht vollständig nachgebildet.
Ein möglicher Treiber für Turbulenzen in Akkretionsscheiben ist die Magneto-Rotationsinstabilität (MRI): Dies könnte besser erklären, wie eine unterschiedlich rotierende, elektrisch leitende Flüssigkeit durch ein Magnetfeld destabilisiert werden kann. Dieses Konzept wurde theoretisch umfassend untersucht, konnte jedoch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Einstellung der geeigneten Parameter noch nicht in Taylor-Couette-Experimenten bestätigt werden.
Leitfähige Flüssigkeit
Wangs Team hat sich dieser Herausforderung gestellt, indem es eine Flüssigkeit namens Galinstan verwendet hat, eine flüssige Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, die etwa doppelt so viskos wie Wasser und etwa 100 Millionen Mal leitfähiger für Elektrizität ist. Um Sekundärströmungen zu eliminieren, implementierten sie auch ein Paar elektrisch leitender Kappen, die sich unabhängig voneinander mit Geschwindigkeiten drehten, die zwischen den inneren und äußeren Zylindern lagen.
Flüssigmetall-Experiment simuliert astrophysikalische Akkretionsscheiben
Während sie ein vertikales Magnetfeld entlang der Rotationsachse der Zylinder anlegten, maßen die Forscher die magnetische Reynolds-Zahl der Flüssigkeit, die charakterisiert, wie ein Magnetfeld mit einer leitenden Flüssigkeit interagiert. Entscheidend war, dass sie beobachteten, dass dieser Wert eine bestimmte Schwelle überschritt: Jenseits davon begann die Stärke des Magnetfelds, das durch den inneren Zylinder ging, nichtlinear zu steigen – was darauf hinwies, dass die MRT ausgelöst worden war.
Auch Simulationen konnten dieses Verhalten reproduzieren, sodass die Beobachtungen des Teams einen wichtigen Schritt vorwärts in der Fähigkeit der Forscher darstellen, die Dynamik der Akkretionsscheibe in realen Experimenten zu reproduzieren; und schließlich bei der Beantwortung des langjährigen Rätsels um die Übertragung des Drehimpulses in Akkretionsscheiben.
Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.
