Forskere i Frankrike har laget et nytt eksperiment som kan forbedre vår forståelse av dynamikken til stjerne- og sorte hulls akkresjonsskiver. Designet av Marlone Vernet og kolleger ved Sorbonne-universitetet i Paris bruker eksperimentet en kombinasjon av radielle elektriske felt og vertikale magnetiske felt for å inneholde en roterende skive av flytende metall. Dette tillot teamet å observere hvordan vinkelmomentum overføres i platen – noe som kan gi innsikt i planetformasjonen og områdene rundt sorte hull.
Akkresjon er prosessen der et massivt objekt som en stjerne eller et svart hull trekker inn gass og støv fra omgivelsene. Resultatet er en sirkulerende akkresjonsskive, der gassen og støvet kommer nærmere og nærmere den massive gjenstanden. I stjernesystemer dannes planeter i akkresjonsskiver og astronomer kan studere sorte hull ved å observere strålingen fra akkresjonsskivene deres.
For at støvet og gassen skal bevege seg stadig nærmere den massive gjenstanden, må den på en eller annen måte miste vinkelmomentum underveis. Som et resultat må vinkelmoment overføres fra innsiden av en akkresjonsskive til dens ytre kant. Nøyaktig hvordan dette skjer, er imidlertid fortsatt et mysterium. En mulighet er at friksjon mellom den indre og ytre delen av delen av den roterende skiven overfører vinkelmomentum utover - men viskositeten til skivene virker alt for lav til at dette kan skje.
Turbulente skjærstrømmer
En mer plausibel forklaring er at vinkelmomentoverføringen forsterkes av turbulente skjærstrømmer i skiven. Men til tross for flere tiår med nøye undersøkelser med både teleskopbilder og datasimuleringer, er mekanismene som driver denne turbulensen fortsatt uklare.
Dette har inspirert astrofysikere til å ta til laboratoriet og gjøre eksperimenter som er analoger til akkresjonsskiver. I et typisk eksperiment er en væske inneholdt i rommet mellom to uavhengig roterende sylindre. I stedet for tyngdekraften drives væsken i bevegelse gjennom tyktflytende friksjon med de to sylindrene. Ved å justere rotasjonshastighetene til sylindrene, kan forskerne gjenskape de radielle bevegelsene som er observert i ekte akkresjonsskiver – noe som gir litt innsikt i hvordan vinkelmomentet transporteres utover.
Imidlertid er dette oppsettet langt fra å være en ideell analog til astrofysiske akkresjonsplater. Ikke bare er væskens bevegelse drevet av en kraft i motsetning til tyngdekraften, væsken må også holdes vertikalt av øvre og nedre hetter. Gjennom viskøs friksjon introduserer disse grensene sekundære strømmer til væsken, som ikke har noen motpart i ekte akkresjonsskive.
Begrensede sekundære strømmer
I sin studie opprettet Vernets team et nytt eksperiment der et flytende metall blir drevet i bevegelse av et radialt elektrisk felt. Dette feltet genereres ved å sende en strøm mellom en ytre, ringformet elektrode og en sentral sylinder. Selv om væsken fortsatt er vertikalt dekket, begrenses omfanget av sekundærstrømmene av et vertikalt magnetfelt, som skapes av spoler plassert over og under skiven.
Akkresjon, ikke kolliderende spaghetti, blusser opp mens stjernen slukes av svart hull
I eksperimentet deres var forskerne i stand til å kontrollere både væskens rotasjonshastighet og turbulensnivået. Ved å sondere væsken med sensorer, oppdaget de at vinkelmomentum faktisk ble drevet utover av turbulente strømmer inne i hoveddelen av skiven. Dessuten skjedde dette ved svært lave verdier av molekylær viskositet. Dette ligner veldig på observasjoner av ekte akkresjonsskiver, der materialet mister vinkelmomentet og faller innover – til tross for en tydelig mangel på viskositet i gassen og støvet.
Sekundærstrømmer er fortsatt tilstede i eksperimentet, noe som betyr at teamet ikke var i stand til å simulere turbulente strømmer i akkresjonsskiver fullt ut. Med ytterligere forbedringer håper imidlertid forskerne at suspenderte flytende metallskiver snart kan gjøre det mulig for astronomer å estimere turbulensnivået knyttet til akkresjonsskivene de observerer.
Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.
