Ερευνητές στις ΗΠΑ σχεδίασαν ένα πείραμα που προσπαθεί να προσομοιώσει τη σύνθετη δυναμική των δίσκων αστροφυσικής προσαύξησης πιο στενά από ποτέ. Ο Γιν Γουάνγκ και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον το έκαναν αυτό προσαρμόζοντας προηγούμενες πειραματικές τεχνικές για να αποφύγουν ανεπιθύμητες ροές στον προσομοιωμένο δίσκο τους, ενώ αντιπροσωπεύουν πιο στενά τη μαγνητο-περιστροφική αστάθεια που πιστεύεται ότι εμφανίζεται σε πραγματικούς δίσκους προσαύξησης.
Οι δίσκοι προσαύξησης είναι στροβιλιζόμενες δίνες ύλης που σχηματίζονται καθώς τεράστια αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες και τα νεοσχηματιζόμενα αστέρια συγκεντρώνουν αέριο και σκόνη από το διαστρικό περιβάλλον τους. Η εισροή αυτού του υλικού οδηγεί στο σχηματισμό πλανητών και παράγει την έντονη ακτινοβολία που εκπέμπεται από την περιοχή κάποιων μαύρων τρυπών.
Προκειμένου το αέριο και η σκόνη να κινηθούν πιο κοντά στο ογκώδες αντικείμενο, πρέπει να μεταφέρουν γωνιακή ορμή στο εξωτερικό άκρο του δίσκου - και μια εξήγηση για το πώς συμβαίνει αυτό διέφυγε από τους αστρονόμους. Μια βασική θεωρία είναι ότι αυτή η μεταφορά οδηγείται από τυρβώδεις ροές στο δίσκο. Για να διερευνήσουν αυτήν την ιδέα, προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει μια διάταξη Taylor Couette στην οποία ένα ρευστό γεμίζει το κενό μεταξύ δύο ομόκεντρων κυλίνδρων που μπορούν να περιστραφούν ανεξάρτητα.
Αστροφυσική στο εργαστήριο
Περιστρέφοντας τον εξωτερικό κύλινδρο πιο αργά από τον εσωτερικό κύλινδρο και ελέγχοντας προσεκτικά τις αντίστοιχες κινήσεις τους, οι ερευνητές μπορούν να αναδημιουργήσουν εκ νέου τις κινήσεις των εξελισσόμενων δίσκων προσαύξησης όσο το δυνατόν πιο κοντά. Στόχος τους εδώ είναι να προσδιορίσουν εάν οι τυρβώδεις ροές θα μπορούσαν πραγματικά να είναι υπεύθυνες για τη μεταφορά της γωνιακής ορμής τους.
Ωστόσο, πέρα από τον σαφή περιορισμό ότι αυτές οι κινήσεις δεν οδηγούνται από τη βαρύτητα, το ρευστό πρέπει επίσης να περιέχεται κατακόρυφα από το άνω και το κάτω καπάκι. Αυτό εισάγει δευτερεύουσες ροές στο ρευστό, χωρίς ανάλογο σε πραγματικούς δίσκους προσαύξησης. Ενας πρόσφατη μελέτη που έγινε στο Παρίσι μείωσε την επίδραση αυτών των ανεπιθύμητων ροών εφαρμόζοντας ένα κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο σε έναν υγρό μεταλλικό δίσκο – αναδημιουργώντας πιο προσεκτικά την ηλεκτρική αγωγιμότητα των πραγματικών δίσκων προσαύξησης. Ωστόσο, η ομάδα του Παρισιού δεν αναδημιουργούσε πλήρως τις επιθυμητές ταραχώδεις ροές.
Ένας πιθανός παράγοντας για αναταράξεις σε δίσκους προσαύξησης είναι η μαγνητική περιστροφική αστάθεια (MRI): η οποία θα μπορούσε να εξηγήσει καλύτερα πώς ένα διαφορικά περιστρεφόμενο, ηλεκτρικά αγώγιμο ρευστό μπορεί να αποσταθεροποιηθεί από ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτή η έννοια έχει μελετηθεί ευρέως θεωρητικά, αλλά ακόμα δεν έχει επιβεβαιωθεί στα πειράματα Taylor Couette λόγω δυσκολιών στον καθορισμό των κατάλληλων παραμέτρων.
Αγώγιμο υγρό
Η ομάδα του Wang αντιμετώπισε αυτή την πρόκληση χρησιμοποιώντας ένα υγρό που ονομάζεται galinstan, το οποίο είναι ένα υγρό κράμα γαλλίου, ινδίου και κασσίτερου που είναι περίπου δύο φορές πιο ιξώδες από το νερό και περίπου 100 εκατομμύρια φορές πιο αγώγιμο ηλεκτρισμού. Για την εξάλειψη των δευτερευουσών ροών, εφάρμοσαν επίσης ένα ζεύγος ηλεκτρικά αγώγιμων πωμάτων, τα οποία περιστρέφονταν ανεξάρτητα με ταχύτητες ενδιάμεσες προς τον εσωτερικό και τον εξωτερικό κύλινδρο.
Πείραμα υγρού μετάλλου προσομοιώνει δίσκους αστροφυσικής προσαύξησης
Καθώς εφάρμοσαν ένα κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο κατά μήκος του άξονα περιστροφής των κυλίνδρων, οι ερευνητές μέτρησαν τον μαγνητικό αριθμό Reynolds του ρευστού, ο οποίος χαρακτηρίζει τον τρόπο με τον οποίο ένα μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με ένα αγώγιμο ρευστό. Το κρίσιμο ήταν ότι παρατήρησαν αυτή την τιμή περνώντας ένα ορισμένο όριο: πέρα από το οποίο η ισχύς του μαγνητικού πεδίου που διέρχεται από τον εσωτερικό κύλινδρο άρχισε να αυξάνεται μη γραμμικά – υποδεικνύοντας ότι είχε ενεργοποιηθεί η μαγνητική τομογραφία.
Οι προσομοιώσεις μπόρεσαν επίσης να αναπαράγουν αυτή τη συμπεριφορά, επομένως οι παρατηρήσεις της ομάδας αποτελούν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην ικανότητα των ερευνητών να αναπαράγουν τη δυναμική του δίσκου προσαύξησης σε πραγματικά πειράματα. και τελικά, απαντώντας στο μακροχρόνιο μυστήριο γύρω από τη μεταφορά της γωνιακής ορμής σε δίσκους προσαύξησης.
Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.
