米国の研究者は、天体物理学的な降着円盤の複雑なダイナミクスをこれまで以上に厳密にシミュレートしようとする実験を設計しました。 プリンストン大学の Yin Wang と同僚は、実際の降着円盤で現れると考えられている磁気回転不安定性をより厳密に表現しながら、シミュレートされた円盤での不要な流れを回避するために、以前の実験手法を適応させることでこれを行いました。
降着円盤は、ブラック ホールや新たに形成される星などの巨大な物体が星間環境からガスや塵を集めるときに形成される物質の渦巻きです。 この物質の流入は惑星の形成につながり、いくつかのブラック ホールの近くから放出される強力な放射線を生成します。
ガスやちりが巨大な天体に近づくには、角運動量を円盤の外縁に移動させる必要がありますが、これがどのように起こるかについての説明は、天文学者にはわかりませんでした。 有力な理論の XNUMX つは、この移動は円盤内の乱流によって引き起こされるというものです。 このアイデアを探求するために、以前の研究では、独立して回転できる XNUMX つの同心円柱の間のギャップを流体で埋める Taylor Couette セットアップが使用されていました。
研究室での天体物理学
外側の円柱を内側の円柱よりもゆっくりと回転させ、それぞれの動きを注意深く制御することで、研究者は進化する降着円盤の動きを可能な限り厳密に再現することができます。 ここでの彼らの目的は、乱流が角運動量の移動に本当に関与している可能性があるかどうかを判断することです。
ただし、これらの動きが重力によって駆動されないという明確な制限を超えて、流体は上下のキャップによって垂直に封じ込められなければなりません。 これにより、流体に二次的な流れが導入され、実際の降着円盤には類似物がありません。 XNUMX 最近の研究 パリで行われた研究では、垂直方向の磁場を液体金属円盤に適用することで、これらの望ましくない流れの影響を減らし、実際の降着円盤の電気伝導率をより厳密に再現しました。 しかし、パリのチームは、望ましい乱流を完全には再現できませんでした。
降着円盤における乱流の原因の XNUMX つとして考えられるのは、磁気回転不安定性 (MRI) です。これは、回転差のある電気伝導性流体が磁場によってどのように不安定化されるかをよりよく説明できる可能性があります。 この概念は理論的に広く研究されてきましたが、適切なパラメーターを設定することが難しいため、Taylor Couette の実験ではまだ確認されていません。
導電性液体
Wang のチームは、水の約 100 倍の粘性と約 XNUMX 億倍の電気伝導性を持つガリウム、インジウム、スズの液体合金であるガリンスタンと呼ばれる流体を使用して、この課題に対処しました。 二次流れを排除するために、彼らはまた、内側と外側のシリンダーの中間の速度で独立して回転する一対の導電性キャップを実装しました。
液体金属実験は天体物理学的な降着円盤をシミュレートします
円柱の回転軸に沿って垂直磁場を適用すると、研究者は流体の磁気レイノルズ数を測定しました。これは、磁場が導電性流体とどのように相互作用するかを特徴付けます。 重要なことに、彼らはこの値が特定のしきい値を超えていることを観察しました。それを超えると、内側のシリンダーを通過する磁場の強度が非線形に増加し始め、MRI がトリガーされたことを示します。
シミュレーションでもこの挙動を再現することができたので、チームの観察は、実際の実験で降着円盤のダイナミクスを再現する研究者の能力において重要な前進です。 そして最終的には、降着円盤における角運動量の移動を取り巻く長年の謎に答えることです。
研究はで説明されています Physical Review Lettersに.
