Forskere i USA har designet et eksperiment som forsøker å simulere den komplekse dynamikken til astrofysiske akkresjonsskiver nærmere enn noen gang før. Yin Wang og kolleger ved Princeton University gjorde dette ved å tilpasse tidligere eksperimentelle teknikker for å unngå uønskede strømninger i deres simulerte skive, mens de i større grad representerte magneto-rotasjonsustabiliteten som antas å dukke opp i ekte akkresjonsskiver.
Akkresjonsskiver er virvlende virvler av materie som dannes når massive gjenstander som sorte hull og nydannede stjerner samler gass og støv fra sine interstellare omgivelser. Tilstrømningen av dette materialet fører til planetdannelse og produserer den intense strålingen som sendes ut fra noen sorte hull i nærheten.
For at gass og støv skal bevege seg nærmere det massive objektet, må det overføre vinkelmomentum til ytterkanten av skiven – og en forklaring på hvordan dette skjer har unngått astronomer. En ledende teori er at denne overføringen er drevet av turbulente strømninger i skiven. For å utforske denne ideen har tidligere studier brukt et Taylor Couette-oppsett der en væske fyller gapet mellom to konsentriske sylindre som kan roteres uavhengig.
Astrofysikk i laboratoriet
Ved å rotere den ytre sylinderen langsommere enn den indre sylinderen, og nøye kontrollere deres respektive bevegelser, kan forskerne gjenskape bevegelsene til utviklende akkresjonsskiver så nært som mulig. Deres mål her er å finne ut om turbulente strømmer virkelig kan være ansvarlig for deres vinkelmomentoverføring.
Men utover den klare begrensningen at disse bevegelsene ikke drives av tyngdekraften, må væsken også holdes vertikalt av øvre og nedre hetter. Dette introduserer sekundære strømmer til væsken, uten analog i ekte akkresjonsskiver. En fersk undersøkelse gjort i Paris reduserte påvirkningen av disse uønskede strømmene ved å påføre et vertikalt magnetfelt på en flytende metallskive – og gjenskape den elektriske ledningsevnen til ekte akkresjonsskiver nærmere. Det parisiske laget gjenskapte imidlertid ikke de ønskede turbulente strømmene fullt ut.
En mulig driver for turbulens i akkresjonsskiver er magneto-rotasjonsinstabilitet (MRI): som bedre kan forklare hvordan en differensielt roterende, elektrisk ledende væske kan destabiliseres av et magnetfelt. Dette konseptet har blitt mye studert teoretisk, men har fortsatt ikke blitt bekreftet i Taylor Couette-eksperimenter på grunn av vanskeligheter med å sette de riktige parametrene.
Ledende væske
Wangs team har taklet denne utfordringen ved å bruke en væske kalt galinstan, som er en flytende legering av gallium, indium og tinn som er omtrent dobbelt så tyktflytende som vann, og rundt 100 millioner ganger mer ledende av elektrisitet. For å eliminere sekundære strømmer implementerte de også et par elektrisk ledende hetter, som roterte uavhengig med hastigheter mellom de indre og ytre sylindrene.
Flytende-metalleksperiment simulerer astrofysiske akkresjonsskiver
Da de påførte et vertikalt magnetfelt langs sylindrenes rotasjonsakse, målte forskerne væskens magnetiske Reynolds-tall, som karakteriserer hvordan et magnetfelt samhandler med en ledende væske. Avgjørende observerte de at denne verdien passerte en viss terskel: utover hvilken styrken til magnetfeltet som passerte gjennom den indre sylinderen begynte å øke ikke-lineært - noe som indikerer at MR hadde blitt utløst.
Simuleringer har også vært i stand til å reprodusere denne oppførselen, så teamets observasjoner er et viktig skritt fremover i forskernes evne til å reprodusere akkresjonsskivedynamikk i virkelige eksperimenter; og til slutt, ved å svare på det mangeårige mysteriet rundt overføringen av vinkelmomentum i akkresjonsskiver.
Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.
