Onderzoekers in de VS hebben een experiment ontworpen dat probeert de complexe dynamiek van astrofysische accretieschijven nauwkeuriger dan ooit tevoren te simuleren. Yin Wang en collega's van Princeton University deden dit door eerdere experimentele technieken aan te passen om ongewenste stromingen in hun gesimuleerde schijf te voorkomen, terwijl ze de magneto-rotatie-instabiliteit beter weergeven die wordt verondersteld op te treden in echte accretieschijven.
Accretieschijven zijn wervelende wervels van materie die ontstaan doordat massieve objecten zoals zwarte gaten en nieuw gevormde sterren gas en stof verzamelen uit hun interstellaire omgeving. De instroom van dit materiaal leidt tot planeetvorming en produceert de intense straling die wordt uitgezonden in de buurt van sommige zwarte gaten.
Om gas en stof dichter bij het massieve object te laten komen, moet het impulsmoment overbrengen naar de buitenrand van de schijf - en een verklaring van hoe dit gebeurt, is astronomen ontgaan. Een leidende theorie is dat deze overdracht wordt aangedreven door turbulente stromingen in de schijf. Om dit idee te onderzoeken, hebben eerdere studies een Taylor Couette-opstelling gebruikt waarin een vloeistof de opening vult tussen twee concentrische cilinders die onafhankelijk van elkaar kunnen worden geroteerd.
Astrofysica in het lab
Door de buitenste cilinder langzamer te laten draaien dan de binnenste cilinder en hun respectieve bewegingen zorgvuldig te controleren, kunnen onderzoekers de bewegingen van evoluerende accretieschijven zo nauwkeurig mogelijk nabootsen. Hun doel hier is om te bepalen of turbulente stromingen echt verantwoordelijk kunnen zijn voor hun impulsmomentoverdracht.
Naast de duidelijke beperking dat deze bewegingen niet door de zwaartekracht worden aangedreven, moet de vloeistof echter ook verticaal worden vastgehouden door boven- en onderkappen. Dit introduceert secundaire stromen naar de vloeistof, zonder analoog in echte accretieschijven. Een recente studie gedaan in Parijs verminderde de invloed van deze ongewenste stromingen door een verticaal magnetisch veld aan te leggen op een schijf van vloeibaar metaal - waardoor de elektrische geleidbaarheid van echte accretieschijven nauwkeuriger werd nagebootst. Het Parijse team heeft de gewenste turbulente stromingen echter niet volledig nagebootst.
Een mogelijke oorzaak van turbulentie in accretieschijven is magneto-rotatie-instabiliteit (MRI): wat beter zou kunnen verklaren hoe een differentieel roterende, elektrisch geleidende vloeistof kan worden gedestabiliseerd door een magnetisch veld. Dit concept is theoretisch uitgebreid bestudeerd, maar is nog steeds niet bevestigd in Taylor Couette-experimenten vanwege moeilijkheden bij het instellen van de juiste parameters.
Geleidende vloeistof
Het team van Wang heeft deze uitdaging aangepakt door een vloeistof te gebruiken die galinstan wordt genoemd, een vloeibare legering van gallium, indium en tin die ongeveer twee keer zo stroperig is als water en zo'n 100 miljoen keer beter geleidend is voor elektriciteit. Om secundaire stromingen te elimineren, implementeerden ze ook een paar elektrisch geleidende doppen, die onafhankelijk roteerden met snelheden tussen de binnenste en buitenste cilinders.
Experiment met vloeibaar metaal simuleert astrofysische accretieschijven
Terwijl ze een verticaal magnetisch veld langs de rotatie-as van de cilinders aanbrachten, maten de onderzoekers het magnetische Reynolds-getal van de vloeistof, dat karakteriseert hoe een magnetisch veld interageert met een geleidende vloeistof. Cruciaal was dat ze zagen dat deze waarde een bepaalde drempel overschreed: waarboven de sterkte van het magnetische veld dat door de binnenste cilinder ging niet-lineair begon toe te nemen - wat aangeeft dat MRI was geactiveerd.
Simulaties hebben dit gedrag ook kunnen reproduceren, dus de observaties van het team zijn een belangrijke stap voorwaarts in het vermogen van onderzoekers om de dynamiek van de accretieschijf in echte experimenten te reproduceren; en uiteindelijk bij het beantwoorden van het al lang bestaande mysterie rond de overdracht van impulsmoment in accretieschijven.
Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.
