I ricercatori negli Stati Uniti hanno progettato un esperimento che tenta di simulare la complessa dinamica dei dischi di accrescimento astrofisico più da vicino che mai. Yin Wang e colleghi dell'Università di Princeton lo hanno fatto adattando le precedenti tecniche sperimentali per evitare flussi indesiderati nel loro disco simulato, mentre rappresentano più da vicino l'instabilità magneto-rotazionale che si ritiene emerga nei dischi di accrescimento reali.
I dischi di accrescimento sono vorticosi vortici di materia che si formano quando oggetti massicci come i buchi neri e le stelle di nuova formazione raccolgono gas e polvere dai loro dintorni interstellari. L'afflusso di questo materiale porta alla formazione di pianeti e produce l'intensa radiazione emessa dalla vicinanza di alcuni buchi neri.
Affinché il gas e la polvere si avvicinino all'oggetto massiccio, deve trasferire il momento angolare al bordo esterno del disco e agli astronomi è sfuggita una spiegazione di come ciò avvenga. Una delle principali teorie è che questo trasferimento sia guidato da flussi turbolenti nel disco. Per esplorare questa idea, studi precedenti hanno utilizzato una configurazione Taylor Couette in cui un fluido riempie lo spazio tra due cilindri concentrici che possono essere ruotati indipendentemente.
Astrofisica in laboratorio
Ruotando il cilindro esterno più lentamente del cilindro interno e controllando attentamente i rispettivi movimenti, i ricercatori possono ricreare da vicino i movimenti dei dischi di accrescimento in evoluzione il più fedelmente possibile. Il loro scopo qui è determinare se i flussi turbolenti potrebbero davvero essere responsabili del loro trasferimento di momento angolare.
Tuttavia, al di là della chiara limitazione che questi moti non sono guidati dalla gravità, il fluido deve essere contenuto anche verticalmente da tappi superiore ed inferiore. Ciò introduce flussi secondari nel fluido, senza analoghi nei dischi di accrescimento reali. Uno recente studio fatto a Parigi ha ridotto l'influenza di questi flussi indesiderati applicando un campo magnetico verticale a un disco di metallo liquido, ricreando più da vicino la conduttività elettrica dei veri dischi di accrescimento. Tuttavia, il team parigino non ha ricreato completamente i flussi turbolenti desiderati.
Un possibile driver per la turbolenza nei dischi di accrescimento è l'instabilità magneto-rotazionale (MRI): che potrebbe spiegare meglio come un fluido conduttore elettricamente a rotazione differenziale possa essere destabilizzato da un campo magnetico. Questo concetto è stato ampiamente studiato in teoria, ma non è stato ancora confermato negli esperimenti di Taylor Couette a causa delle difficoltà nell'impostare i parametri appropriati.
Liquido conduttivo
Il team di Wang ha affrontato questa sfida utilizzando un fluido chiamato galinstan, che è una lega liquida di gallio, indio e stagno che è circa due volte più viscosa dell'acqua e circa 100 milioni di volte più conduttiva di elettricità. Per eliminare i flussi secondari, hanno anche implementato una coppia di cappucci elettricamente conduttivi, che ruotavano indipendentemente a velocità intermedie rispetto ai cilindri interno ed esterno.
L'esperimento di metallo liquido simula i dischi di accrescimento astrofisico
Applicando un campo magnetico verticale lungo l'asse di rotazione dei cilindri, i ricercatori hanno misurato il numero di Reynolds magnetico del fluido, che caratterizza il modo in cui un campo magnetico interagisce con un fluido conduttore. Fondamentalmente, hanno osservato che questo valore superava una certa soglia: oltre la quale l'intensità del campo magnetico che passava attraverso il cilindro interno ha iniziato ad aumentare in modo non lineare, indicando che la risonanza magnetica era stata attivata.
Le simulazioni sono state anche in grado di riprodurre questo comportamento, quindi le osservazioni del team sono un importante passo avanti nella capacità dei ricercatori di riprodurre la dinamica del disco di accrescimento in esperimenti reali; e, infine, nel rispondere al mistero di vecchia data che circonda il trasferimento del momento angolare nei dischi di accrescimento.
La ricerca è descritta in Physical Review Letters.
