Onderzoekers in Frankrijk hebben een nieuw experiment opgezet dat ons begrip van de dynamiek van accretieschijven van stellaire en zwarte gaten zou kunnen verbeteren. Ontworpen door Marlone Vernet en collega's Aan de Sorbonne Universiteit van Parijs maakt het experiment gebruik van een combinatie van radiale elektrische velden en verticale magnetische velden om een roterende schijf van vloeibaar metaal te bevatten. Hierdoor kon het team observeren hoe het impulsmoment binnen de schijf wordt overgedragen – iets dat inzicht zou kunnen verschaffen in de planeetvorming en de gebieden rond zwarte gaten.
Accretie is het proces waarbij een massief object zoals een ster of een zwart gat gas en stof uit zijn omgeving aanzuigt. Het resultaat is een cirkelende accretieschijf, waarbij het gas en het stof steeds dichter bij het massieve object komen. In stellaire systemen ontstaan planeten binnen accretieschijven en astronomen kunnen zwarte gaten bestuderen door de straling van hun accretieschijven te observeren.
Als het stof en gas steeds dichter bij het massieve object willen komen, moeten ze onderweg op de een of andere manier hun impulsmoment verliezen. Als gevolg hiervan moet het impulsmoment van binnenuit een accretieschijf naar de buitenrand worden overgebracht. Hoe dit precies gebeurt, blijft echter een mysterie. Eén mogelijkheid is dat wrijving tussen de binnenste en buitenste delen van het deel van de roterende schijf het impulsmoment naar buiten overbrengt – maar de viscositeit van schijven lijkt daarvoor veel te laag.
Turbulente schuifstromen
Een plausibelere verklaring is dat de impulsmomentoverdracht wordt versterkt door turbulente schuifstromingen in de schijf. Maar ondanks tientallen jaren van nauwkeurig onderzoek met zowel telescoopbeelden als computersimulaties zijn de mechanismen die deze turbulentie aandrijven nog steeds onduidelijk.
Dit heeft astrofysici geïnspireerd om naar het laboratorium te gaan en experimenten uit te voeren die analogen zijn van accretieschijven. Bij een typisch experiment bevindt zich een vloeistof in de ruimte tussen twee onafhankelijk roterende cilinders. In plaats van door de zwaartekracht wordt de vloeistof door stroperige wrijving met de twee cilinders in beweging gebracht. Door de rotatiesnelheden van de cilinders aan te passen, kunnen onderzoekers de radiale bewegingen nabootsen die worden waargenomen in echte accretieschijven – wat inzicht geeft in hoe het impulsmoment naar buiten wordt getransporteerd.
Deze opstelling is echter verre van een ideaal analoog van astrofysische accretieschijven. Niet alleen wordt de beweging van de vloeistof aangedreven door een kracht die anders is dan de zwaartekracht, de vloeistof moet ook verticaal worden vastgehouden door de bovenste en onderste doppen. Door stroperige wrijving introduceren deze grenzen secundaire stromen in de vloeistof, die geen tegenhanger hebben in een echte accretieschijf.
Beperkte secundaire stromen
In hun onderzoek creëerde het team van Vernet een nieuw experiment waarin een vloeibaar metaal in beweging wordt gebracht door een radiaal elektrisch veld. Dit veld wordt gegenereerd door een stroom te laten lopen tussen een buitenste, ringvormige elektrode en een centrale cilinder. Hoewel de vloeistof nog steeds verticaal is afgedekt, wordt de omvang van de secundaire stromingen beperkt door een verticaal magnetisch veld, dat wordt gecreëerd door spoelen die boven en onder de schijf zijn geplaatst.
Aanwas, en niet botsende spaghetti, laait op als de ster wordt verslonden door een zwart gat
In hun experiment konden de onderzoekers zowel de rotatiesnelheid van de vloeistof als de mate van turbulentie controleren. Door de vloeistof met sensoren te onderzoeken, ontdekten ze dat het impulsmoment inderdaad naar buiten werd gedreven door turbulente stromingen in het grootste deel van de schijf. Bovendien gebeurde dit bij zeer lage waarden van de moleculaire viscositeit. Dit lijkt sterk op waarnemingen van echte accretieschijven, waar materiaal zijn impulsmoment verliest en naar binnen valt – ondanks een duidelijk gebrek aan viscositeit in het gas en het stof.
Secundaire stromingen zijn nog steeds aanwezig in het experiment, wat betekent dat het team turbulente stromingen in accretieschijven niet volledig kon simuleren. Met verdere verbeteringen hopen de onderzoekers echter dat zwevende schijven van vloeibaar metaal astronomen binnenkort in staat zullen stellen het turbulentieniveau te schatten dat gepaard gaat met de accretieschijven die ze waarnemen.
Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.
