Une expérience de métal liquide simule des disques d'accrétion astrophysiques

Des chercheurs français ont créé une nouvelle expérience qui pourrait améliorer notre compréhension de la dynamique des disques d'accrétion des étoiles et des trous noirs. Conçu par Marlone Vernet et ses collègues à la Sorbonne Université de Paris, l'expérience utilise une combinaison de champs électriques radiaux et de champs magnétiques verticaux pour contenir un disque rotatif de métal liquide. Cela a permis à l'équipe d'observer comment le moment cinétique est transféré dans le disque, ce qui pourrait donner un aperçu de la formation des planètes et des régions autour des trous noirs.

L'accrétion est le processus par lequel un objet massif tel qu'une étoile ou un trou noir aspire le gaz et la poussière de son environnement. Le résultat est un disque d'accrétion circulaire, le gaz et la poussière se rapprochant de plus en plus de l'objet massif. Dans les systèmes stellaires, les planètes se forment dans les disques d'accrétion et les astronomes peuvent étudier les trous noirs en observant le rayonnement de leurs disques d'accrétion.

Pour que la poussière et le gaz se rapprochent de plus en plus de l'objet massif, il doit en quelque sorte perdre du moment cinétique en cours de route. En conséquence, le moment cinétique doit être transféré de l'intérieur d'un disque d'accrétion vers son bord extérieur. Exactement comment cela se produit, cependant, reste un mystère. Une possibilité est que le frottement entre les parties intérieure et extérieure de la partie du disque rotatif transfère le moment cinétique vers l'extérieur - mais la viscosité des disques semble bien trop faible pour que cela se produise.

Flux de cisaillement turbulents

Une explication plus plausible est que le transfert de moment cinétique est amélioré par des flux de cisaillement turbulents dans le disque. Mais, malgré des décennies d'examen minutieux avec des images de télescope et des simulations informatiques, les mécanismes à l'origine de cette turbulence ne sont toujours pas clairs.

Cela a inspiré les astrophysiciens à se rendre au laboratoire et à faire des expériences analogues aux disques d'accrétion. Dans une expérience typique, un liquide est contenu dans l'espace entre deux cylindres en rotation indépendante. Au lieu de la gravité, le liquide est mis en mouvement par friction visqueuse avec les deux cylindres. En ajustant les vitesses de rotation des cylindres, les chercheurs peuvent recréer les mouvements radiaux observés dans de vrais disques d'accrétion, ce qui donne un aperçu de la façon dont le moment cinétique est transporté vers l'extérieur.

Cependant, cette configuration est loin d'être un analogue idéal des disques d'accrétion astrophysiques. Non seulement le mouvement du liquide est entraîné par une force différente de la gravité, mais le fluide doit également être contenu verticalement par des bouchons supérieur et inférieur. Par frottement visqueux, ces parois introduisent des flux secondaires vers le fluide, qui n'ont pas de contrepartie dans un véritable disque d'accrétion.

Flux secondaires limités

Dans leur étude, l'équipe de Vernet a créé une nouvelle expérience dans laquelle un métal liquide est mis en mouvement par un champ électrique radial. Ce champ est généré en faisant passer un courant entre une électrode extérieure en forme d'anneau et un cylindre central. Bien que le fluide soit toujours coiffé verticalement, l'étendue des flux secondaires est limitée par un champ magnétique vertical, qui est créé par des bobines placées au-dessus et au-dessous du disque.

Dans leur expérience, les chercheurs ont pu contrôler à la fois la vitesse de rotation du liquide et son niveau de turbulence. En sondant le liquide avec des capteurs, ils ont découvert que le moment cinétique était en effet entraîné vers l'extérieur par des écoulements turbulents à l'intérieur de la masse du disque. Qui plus est, cela s'est produit à des valeurs très faibles de viscosité moléculaire. Ceci est très similaire aux observations de vrais disques d'accrétion, où le matériau perd son moment cinétique et tombe vers l'intérieur - malgré un manque évident de viscosité dans le gaz et la poussière.

Les écoulements secondaires sont toujours présents dans l'expérience, ce qui signifie que l'équipe n'a pas été en mesure de simuler complètement les écoulements turbulents dans les disques d'accrétion. Avec de nouvelles améliorations, cependant, les chercheurs espèrent que les disques de métal liquide suspendus pourraient bientôt permettre aux astronomes d'estimer le niveau de turbulence associé aux disques d'accrétion qu'ils observent.

La recherche est décrite dans Physical Review Letters.