Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat suunnitelleet kokeen, jolla yritetään simuloida astrofysikaalisten akkretiolevyjen monimutkaista dynamiikkaa tarkemmin kuin koskaan ennen. Yin Wang ja kollegat Princetonin yliopistosta tekivät tämän sopeuttamalla aikaisempia kokeellisia tekniikoita ei-toivottujen virtausten välttämiseksi simuloidussa kiekossa, samalla kun ne edustavat tarkemmin magneto-rotaatioepävakautta, jonka uskotaan ilmaantuvan todellisissa akkretiolevyissä.
Accretion kiekot ovat pyörteitä aineen pyörteitä, jotka muodostuvat massiivisten esineiden, kuten mustien aukkojen ja vasta muodostuvien tähtien, keräävän kaasua ja pölyä tähtienvälisestä ympäristöstään. Tämän materiaalin virtaus johtaa planeettojen muodostumiseen ja tuottaa voimakasta säteilyä, joka säteilee joidenkin mustien aukkojen läheisyydestä.
Jotta kaasu ja pöly pääsisivät lähemmäksi massiivista esinettä, sen on siirrettävä kulmamomentti kiekon ulkoreunaan – ja selitys siitä, miten tämä tapahtuu, on jäänyt tähtitieteilijöiden ulkopuolelle. Yksi johtava teoria on, että tätä siirtoa ohjaavat levyssä olevat turbulentit virtaukset. Tämän ajatuksen tutkimiseksi aiemmissa tutkimuksissa on käytetty Taylor Couette -kokoonpanoa, jossa neste täyttää kahden samankeskisen sylinterin välisen raon, joita voidaan pyörittää itsenäisesti.
Astrofysiikka laboratoriossa
Pyörittämällä ulompaa sylinteriä hitaammin kuin sisäsylinteriä ja ohjaamalla niiden liikkeitä huolellisesti tutkijat voivat luoda tarkasti uudelleen kehittyvien akkretion kiekkojen liikkeet mahdollisimman tarkasti. Heidän tavoitteenaan on määrittää, voisivatko turbulentit virtaukset todella olla vastuussa niiden kulmamomentin siirrosta.
Kuitenkin sen selkeän rajoituksen lisäksi, että näitä liikkeitä ei ohjaa painovoima, nesteen on oltava myös pystysuorassa ylä- ja alakorkkien sisällä. Tämä tuo nesteeseen toissijaisia virtauksia, joilla ei ole analogia todellisissa lisäyslevyissä. Yksi Tuoreen tutkimuksen Pariisissa tehty vähensi näiden ei-toivottujen virtausten vaikutusta kohdistamalla pystysuoraa magneettikenttää nestemäiseen metallikiekkoon – luoden entistä tarkemmin todellisten akkretion kiekkojen sähkönjohtavuuden. Pariisilainen tiimi ei kuitenkaan luonut täysin uudelleen toivottuja turbulentteja virtauksia.
Eräs mahdollinen kasvukiekkojen turbulenssia aiheuttava tekijä on magneto-rotation epävakaus (MRI): mikä voisi paremmin selittää kuinka differentiaalisesti pyörivä, sähköä johtava neste voidaan destabiloida magneettikentällä. Tätä käsitettä on tutkittu laajasti teoreettisesti, mutta sitä ei ole vieläkään vahvistettu Taylor Couette -kokeissa, koska asianmukaisten parametrien asettamisessa on vaikeuksia.
Johtava neste
Wangin tiimi on vastannut tähän haasteeseen käyttämällä galinstan-nimistä nestettä, joka on galliumin, indiumin ja tinan nestemäinen seos, joka on noin kaksi kertaa viskoosimpi kuin vesi ja noin 100 miljoonaa kertaa sähköä johtavampi. Toissijaisten virtausten eliminoimiseksi he ottivat käyttöön myös parin sähköä johtavaa korkkia, jotka pyörivät itsenäisesti sisä- ja ulkosylintereiden välissä olevilla nopeuksilla.
Nestemetallikoe simuloi astrofysikaalisia akkretion kiekkoja
Kun he käyttivät pystysuoraa magneettikenttää sylintereiden pyörimisakselia pitkin, tutkijat mittasivat nesteen magneettisen Reynolds-luvun, joka kuvaa kuinka magneettikenttä on vuorovaikutuksessa johtavan nesteen kanssa. Ratkaisevaa on, että he havaitsivat tämän arvon ylittävän tietyn kynnyksen: jonka ylittyessä sisäsylinterin läpi kulkevan magneettikentän voimakkuus alkoi kasvaa epälineaarisesti - mikä osoittaa, että MRI oli lauennut.
Simulaatiot ovat myös pystyneet toistamaan tämän käyttäytymisen, joten ryhmän havainnot ovat tärkeä askel eteenpäin tutkijoiden kyvyssä toistaa akkretion kiekkojen dynamiikkaa todellisissa kokeissa; ja viime kädessä vastauksena pitkään jatkuneeseen mysteeriin, joka liittyy kulmamomentin siirtymiseen akkretiolevyissä.
Tutkimusta kuvataan Fyysisen tarkastelun kirjaimet.
