프랑스의 연구자들은 항성 및 블랙홀 강착원반의 역학에 대한 이해를 향상시킬 수 있는 새로운 실험을 만들었습니다. 에 의해 설계된 말론 베르네(Marlone Vernet)와 동료들 파리 소르본 대학교(Sorbonne University of Paris)의 실험에서는 방사형 전기장과 수직 자기장의 조합을 사용하여 회전하는 액체 금속 디스크를 담았습니다. 이를 통해 팀은 원반 내에서 각운동량이 어떻게 전달되는지 관찰할 수 있었습니다. 이는 행성 형성과 블랙홀 주변 지역에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
강착은 별이나 블랙홀과 같은 거대한 물체가 주변의 가스와 먼지를 끌어들이는 과정입니다. 그 결과 가스와 먼지가 거대한 물체에 점점 더 가까워지는 회전하는 강착 디스크가 생성됩니다. 항성계에서 행성은 강착 원반 내에 형성되며 천문학자들은 강착 원반에서 나오는 방사선을 관찰하여 블랙홀을 연구할 수 있습니다.
먼지와 가스가 거대한 물체에 더 가까이 이동하려면 도중에 각운동량을 잃어야 합니다. 결과적으로 각운동량은 강착 원반 내부에서 외부 가장자리로 전달되어야 합니다. 그러나 정확히 어떻게 이런 일이 일어나는지는 미스터리로 남아 있습니다. 한 가지 가능성은 회전하는 디스크 부분의 내부와 외부 부분 사이의 마찰이 각운동량을 바깥쪽으로 전달한다는 것입니다. 그러나 디스크의 점도는 이것이 발생하기에는 너무 낮은 것 같습니다.
난류 전단 흐름
더 그럴듯한 설명은 디스크의 난류 전단 흐름에 의해 각운동량 전달이 향상된다는 것입니다. 그러나 수십 년 동안 망원경 이미지와 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 면밀히 조사했음에도 불구하고 이러한 난류를 주도하는 메커니즘은 여전히 불분명합니다.
이것은 천체물리학자들이 연구실에 가서 강착원반과 유사한 실험을 하도록 영감을 주었습니다. 일반적인 실험에서는 독립적으로 회전하는 두 개의 실린더 사이의 공간에 액체가 들어 있습니다. 중력 대신 액체는 두 개의 실린더와의 점성 마찰을 통해 움직입니다. 원통의 회전 속도를 조정함으로써 연구원들은 실제 강착 원반에서 관찰된 방사형 운동을 재현할 수 있어 각운동량이 바깥쪽으로 어떻게 전달되는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
그러나 이 설정은 천체물리학적 강착원반의 이상적인 유사체가 아닙니다. 액체의 움직임은 중력과 다른 힘에 의해 구동될 뿐만 아니라, 액체는 위쪽 및 아래쪽 캡에 수직으로 담겨 있어야 합니다. 점성 마찰을 통해 이러한 경계는 실제 강착 디스크에는 대응되지 않는 유체에 2차 흐름을 도입합니다.
제한된 보조 흐름
연구에서 Vernet 팀은 방사형 전기장에 의해 액체 금속이 움직이는 새로운 실험을 만들었습니다. 이 자기장은 외부의 고리 모양 전극과 중앙 실린더 사이에 전류를 전달함으로써 생성됩니다. 유체는 여전히 수직으로 막혀 있지만 2차 흐름의 범위는 디스크 위와 아래에 배치된 코일에 의해 생성되는 수직 자기장에 의해 제한됩니다.
충돌하는 스파게티가 아닌 강착, 별이 블랙홀에 삼켜지면서 타오르다
실험에서 연구원들은 액체의 회전 속도와 난류 수준을 모두 제어할 수 있었습니다. 센서로 액체를 조사함으로써 그들은 각운동량이 실제로 디스크 내부의 난류에 의해 바깥쪽으로 유도된다는 것을 발견했습니다. 더욱이 이는 매우 낮은 분자 점도 값에서 발생했습니다. 이는 가스와 먼지의 점도가 확실히 부족함에도 불구하고 물질이 각운동량을 잃고 안쪽으로 떨어지는 실제 강착 원반의 관찰과 매우 유사합니다.
실험에는 2차 흐름이 여전히 존재합니다. 이는 팀이 강착 디스크의 난류 흐름을 완전히 시뮬레이션할 수 없음을 의미합니다. 그러나 추가 개선을 통해 연구원들은 부유 액체 금속 디스크를 통해 천문학자들이 관찰하는 강착 디스크와 관련된 난류 수준을 곧 추정할 수 있기를 바라고 있습니다.
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).
