Investigadores en los EE. UU. han diseñado un experimento que intenta simular la dinámica compleja de los discos de acreción astrofísicos más de cerca que nunca. Yin Wang y sus colegas de la Universidad de Princeton hicieron esto adaptando técnicas experimentales anteriores para evitar flujos no deseados en su disco simulado, mientras representaban más de cerca la inestabilidad magnetorrotacional que se cree que surge en los discos de acreción reales.
Los discos de acreción son vórtices giratorios de materia que se forman cuando objetos masivos, como agujeros negros y estrellas recién formadas, acumulan gas y polvo de su entorno interestelar. La afluencia de este material conduce a la formación de planetas y produce la intensa radiación que se emite desde la vecindad de algunos agujeros negros.
Para que el gas y el polvo se acerquen al objeto masivo, deben transferir el momento angular al borde exterior del disco, y los astrónomos no han podido obtener una explicación de cómo sucede esto. Una de las principales teorías es que esta transferencia es impulsada por flujos turbulentos en el disco. Para explorar esta idea, estudios anteriores han utilizado una configuración de Taylor Couette en la que un fluido llena el espacio entre dos cilindros concéntricos que pueden girar de forma independiente.
Astrofísica en el laboratorio
Al girar el cilindro exterior más lentamente que el cilindro interior y controlar cuidadosamente sus respectivos movimientos, los investigadores pueden recrear los movimientos de los discos de acreción en evolución lo más fielmente posible. Su objetivo aquí es determinar si los flujos turbulentos podrían ser realmente responsables de su transferencia de momento angular.
Sin embargo, más allá de la clara limitación de que estos movimientos no son impulsados por la gravedad, el fluido también debe estar contenido verticalmente por tapas superior e inferior. Esto introduce flujos secundarios al fluido, sin análogo en los discos de acreción reales. Una estudio reciente hecho en París redujo la influencia de estos flujos no deseados al aplicar un campo magnético vertical a un disco de metal líquido, recreando más de cerca la conductividad eléctrica de los discos de acreción reales. Sin embargo, el equipo parisino no recreó completamente los flujos turbulentos deseados.
Un posible impulsor de la turbulencia en los discos de acreción es la inestabilidad magnetorrotacional (MRI): que podría explicar mejor cómo un fluido conductor de electricidad que gira diferencialmente puede ser desestabilizado por un campo magnético. Este concepto ha sido ampliamente estudiado teóricamente, pero aún no ha sido confirmado en los experimentos de Taylor Couette debido a las dificultades para establecer los parámetros adecuados.
líquido conductor
El equipo de Wang ha abordado este desafío mediante el uso de un fluido llamado galinstan, que es una aleación líquida de galio, indio y estaño que es aproximadamente dos veces más viscosa que el agua y unas 100 millones de veces más conductora de electricidad. Para eliminar los flujos secundarios, también implementaron un par de tapas conductoras de electricidad, que giraban de forma independiente a velocidades intermedias a las de los cilindros interior y exterior.
Experimento de metal líquido simula discos de acreción astrofísicos
Mientras aplicaban un campo magnético vertical a lo largo del eje de rotación de los cilindros, los investigadores midieron el número de Reynolds magnético del fluido, que caracteriza cómo un campo magnético interactúa con un fluido conductor. De manera crucial, observaron que este valor superaba un cierto umbral: más allá del cual, la fuerza del campo magnético que pasaba a través del cilindro interno comenzó a aumentar de forma no lineal, lo que indica que se había activado la resonancia magnética.
Las simulaciones también han podido reproducir este comportamiento, por lo que las observaciones del equipo son un importante paso adelante en la capacidad de los investigadores para reproducir la dinámica del disco de acreción en experimentos reales; y, en última instancia, para responder al antiguo misterio que rodea a la transferencia del momento angular en los discos de acreción.
La investigación se describe en Physical Review Letters.
