Une expérience de fluide magnétique met en lumière les disques d'accrétion astrophysiques

Des chercheurs américains ont conçu une expérience qui tente de simuler plus étroitement que jamais la dynamique complexe des disques d'accrétion astrophysiques. Yin Wang et ses collègues de l'Université de Princeton l'ont fait en adaptant les techniques expérimentales précédentes pour éviter les flux indésirables dans leur disque simulé, tout en représentant plus fidèlement l'instabilité magnéto-rotationnelle qui est censée émerger dans les vrais disques d'accrétion.

Les disques d'accrétion sont des tourbillons tourbillonnants de matière qui se forment sous forme d'objets massifs tels que des trous noirs et des étoiles nouvellement formées qui recueillent le gaz et la poussière de leur environnement interstellaire. L'afflux de ce matériau conduit à la formation de planètes et produit le rayonnement intense qui est émis à proximité de certains trous noirs.

Pour que le gaz et la poussière se rapprochent de l'objet massif, il doit transférer un moment cinétique au bord extérieur du disque - et une explication de la façon dont cela se produit a échappé aux astronomes. Une théorie dominante est que ce transfert est entraîné par des écoulements turbulents dans le disque. Pour explorer cette idée, des études antérieures ont utilisé une configuration de Taylor Couette dans laquelle un fluide remplit l'espace entre deux cylindres concentriques qui peuvent être tournés indépendamment.

L'astrophysique au laboratoire

En faisant tourner le cylindre extérieur plus lentement que le cylindre intérieur et en contrôlant soigneusement leurs mouvements respectifs, les chercheurs peuvent recréer de près les mouvements des disques d'accrétion en évolution aussi fidèlement que possible. Leur but est ici de déterminer si des écoulements turbulents pourraient réellement être responsables de leur transfert de moment cinétique.

Cependant, au-delà de la limitation évidente que ces mouvements ne sont pas entraînés par la gravité, le fluide doit également être contenu verticalement par des bouchons supérieur et inférieur. Cela introduit des flux secondaires dans le fluide, sans analogue dans les vrais disques d'accrétion. Une étude récente fait à Paris a réduit l'influence de ces flux indésirables en appliquant un champ magnétique vertical à un disque de métal liquide - recréant plus fidèlement la conductivité électrique des disques d'accrétion réels. Cependant, l'équipe parisienne n'a pas totalement recréé les flux turbulents souhaités.

Un moteur possible de la turbulence dans les disques d'accrétion est l'instabilité magnéto-rotationnelle (IRM), qui pourrait mieux expliquer comment un fluide électriquement conducteur à rotation différentielle peut être déstabilisé par un champ magnétique. Ce concept a été largement étudié théoriquement, mais n'a toujours pas été confirmé dans les expériences de Taylor Couette en raison de difficultés à définir les paramètres appropriés.

Liquide conducteur

L'équipe de Wang a relevé ce défi en utilisant un fluide appelé galinstan, qui est un alliage liquide de gallium, d'indium et d'étain qui est environ deux fois plus visqueux que l'eau et environ 100 millions de fois plus conducteur d'électricité. Pour éliminer les flux secondaires, ils ont également mis en place une paire de bouchons électriquement conducteurs, qui tournaient indépendamment à des vitesses intermédiaires aux cylindres intérieur et extérieur.

En appliquant un champ magnétique vertical le long de l'axe de rotation des cylindres, les chercheurs ont mesuré le nombre de Reynolds magnétique du fluide, qui caractérise l'interaction d'un champ magnétique avec un fluide conducteur. Surtout, ils ont observé que cette valeur passait un certain seuil : au-delà duquel la force du champ magnétique traversant le cylindre interne commençait à augmenter de manière non linéaire, indiquant que l'IRM avait été déclenchée.

Les simulations ont également été en mesure de reproduire ce comportement, de sorte que les observations de l'équipe constituent une avancée importante dans la capacité des chercheurs à reproduire la dynamique des disques d'accrétion dans des expériences réelles ; et finalement, en répondant au mystère de longue date entourant le transfert de moment cinétique dans les disques d'accrétion.

La recherche est décrite dans Physical Review Letters.