Ranskalaiset tutkijat ovat luoneet uuden kokeen, joka voisi parantaa ymmärrystämme tähtien ja mustien aukkojen lisääntymiskiekkojen dynamiikasta. Suunnitellut Marlone Vernet ja kollegat Pariisin Sorbonnen yliopistossa kokeessa käytetään säteittäisten sähkökenttien ja pystysuorien magneettikenttien yhdistelmää pyörivän nestemäisen metallin kiekon sisältämiseksi. Tämä antoi ryhmälle mahdollisuuden tarkkailla, kuinka kulmamomentti siirtyy kiekon sisällä – mikä voisi tarjota käsityksen planeettojen muodostumisesta ja mustien aukkojen ympärillä olevista alueista.
Accretion on prosessi, jossa massiivinen esine, kuten tähti tai musta aukko, imee kaasua ja pölyä ympäristöstään. Tuloksena on kiertävä akkretion kiekko, jossa kaasu ja pöly tulevat yhä lähemmäksi massiivista esinettä. Tähtijärjestelmissä planeettoja muodostuu akkretion kiekkojen sisään, ja tähtitieteilijät voivat tutkia mustia aukkoja tarkkailemalla niiden akkretion kiekkojen säteilyä.
Jotta pöly ja kaasu pääsisivät yhä lähemmäksi massiivista esinettä, sen täytyy jotenkin menettää kulmavoimansa matkan varrella. Tämän seurauksena kulmamomentti on siirrettävä akkretion kiekon sisältä sen ulkoreunaan. Se, miten tämä tarkalleen tapahtuu, on kuitenkin mysteeri. Yksi mahdollisuus on, että pyörivän kiekon osan sisä- ja ulkoosan välinen kitka siirtää kulmamomenttia ulospäin – mutta kiekkojen viskositeetti näyttää aivan liian alhaiselta, jotta tämä tapahtuisi.
Turbulentit leikkausvirtaukset
Todennäköisempi selitys on, että kulmamomentin siirtoa tehostavat levyssä olevat turbulentit leikkausvirrat. Huolimatta vuosikymmeniä kestäneestä tarkasta tutkimuksesta sekä teleskooppikuvien että tietokonesimulaatioiden kanssa, tätä turbulenssia aiheuttavat mekanismit ovat edelleen epäselviä.
Tämä on inspiroinut astrofyysikot menemään laboratorioon ja tekemään kokeita, jotka ovat analogeja akkretiolevyille. Tyypillisessä kokeessa neste on kahden itsenäisesti pyörivän sylinterin välisessä tilassa. Painovoiman sijaan neste saatetaan liikkeelle viskoosin kitkan kautta kahden sylinterin kanssa. Säätämällä sylintereiden pyörimisnopeuksia tutkijat voivat luoda uudelleen todellisissa akkretionaalisissa levyissä havaitut säteittäiset liikkeet, mikä antaa oivalluksia siitä, kuinka kulmamomentti kulkeutuu ulospäin.
Tämä kokoonpano ei kuitenkaan ole kaukana ihanteellinen analogi astrofysikaalisille akkretiolevyille. Sen lisäksi, että nesteen liikettä ohjaa voima, toisin kuin painovoima, nesteen on myös oltava pystysuorassa ylä- ja alakorkkien sisällä. Viskoosin kitkan kautta nämä rajat tuovat nesteeseen toissijaisia virtauksia, joilla ei ole vastinetta todellisessa akkretiolevyssä.
Rajoitettu toissijainen virtaus
Vernet'n tiimi loi tutkimuksessaan uuden kokeen, jossa nestemäinen metalli saatetaan liikkeelle säteittäisen sähkökentän avulla. Tämä kenttä syntyy johtamalla virta ulomman, renkaan muotoisen elektrodin ja keskisylinterin välillä. Vaikka neste on edelleen pystysuorassa korkissa, toisiovirtausten laajuutta rajoittaa pystysuora magneettikenttä, jonka muodostavat kiekon ylä- ja alapuolelle sijoitetut kelat.
Kasvu, ei törmääviä spagettia, leimahtaa, kun musta aukko nielee tähden
Kokeessaan tutkijat pystyivät hallitsemaan sekä nesteen pyörimisnopeutta että sen turbulenssin tasoa. Tutkimalla nestettä antureilla he havaitsivat, että kulmamomentti oli todellakin ohjattu ulospäin pyörteisistä virtauksista levyn suurimman osan sisällä. Lisäksi tämä tapahtui erittäin alhaisilla molekyyliviskositeettiarvoilla. Tämä on hyvin samankaltaista kuin havainnot todellisista akkretiolevyistä, joissa materiaali menettää kulmamomenttinsa ja putoaa sisäänpäin – huolimatta kaasun ja pölyn selvästä viskositeetin puutteesta.
Toissijaisia virtauksia esiintyy edelleen kokeessa, mikä tarkoittaa, että ryhmä ei pystynyt täysin simuloimaan turbulentteja virtauksia akkretiolevyissä. Lisäparannuksilla tutkijat kuitenkin toivovat, että ripustettujen nestemäisten metallilevyjen avulla tähtitieteilijät voivat pian arvioida havaitsemiinsa akkrektiolevyihin liittyvän turbulenssin tason.
Tutkimusta kuvataan Fyysisen tarkastelun kirjaimet.
