Naukowcy we Francji przeprowadzili nowy eksperyment, który może poprawić naszą wiedzę na temat dynamiki dysków akrecyjnych gwiazd i czarnych dziur. Zaprojektowany przez Marlone Vernet i współpracownicy na paryskiej Sorbonie w eksperymencie wykorzystano kombinację promieniowych pól elektrycznych i pionowych pól magnetycznych, aby utrzymać wirujący dysk z ciekłego metalu. Umożliwiło to zespołowi obserwację, w jaki sposób moment pędu jest przenoszony w dysku, co może dostarczyć wglądu w powstawanie planet i obszary wokół czarnych dziur.
Akrecja to proces, w którym masywny obiekt, taki jak gwiazda lub czarna dziura, pobiera gaz i pył ze swojego otoczenia. Rezultatem jest krążący dysk akrecyjny, w którym gaz i pył zbliżają się coraz bardziej do masywnego obiektu. W układach gwiazdowych planety powstają w dyskach akrecyjnych, a astronomowie mogą badać czarne dziury, obserwując promieniowanie z ich dysków akrecyjnych.
Aby pył i gaz mogły zbliżyć się coraz bardziej do masywnego obiektu, muszą w jakiś sposób utracić po drodze moment pędu. W rezultacie moment pędu musi zostać przeniesiony z wnętrza dysku akrecyjnego na jego zewnętrzną krawędź. Jednak dokładnie, jak to się dzieje, pozostaje tajemnicą. Jedną z możliwości jest to, że tarcie pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną częścią części obracającej się tarczy przenosi moment pędu na zewnątrz – ale lepkość tarcz wydaje się o wiele za niska, aby tak się stało.
Turbulentne przepływy ścinające
Bardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że przenoszenie momentu pędu jest wzmacniane przez turbulentne przepływy ścinające w dysku. Jednak pomimo dziesięcioleci dokładnych badań zarówno obrazów teleskopowych, jak i symulacji komputerowych, mechanizmy napędzające te turbulencje są nadal niejasne.
Zainspirowało to astrofizyków do udania się do laboratorium i przeprowadzenia eksperymentów będących odpowiednikami dysków akrecyjnych. W typowym eksperymencie ciecz znajduje się w przestrzeni pomiędzy dwoma niezależnie obracającymi się cylindrami. Zamiast grawitacji, ciecz wprawiana jest w ruch poprzez tarcie lepkie za pomocą dwóch cylindrów. Dostosowując prędkości obrotowe cylindrów, badacze mogą odtworzyć ruchy promieniowe obserwowane w rzeczywistych dyskach akrecyjnych, zapewniając w ten sposób pewien wgląd w to, w jaki sposób moment pędu jest transportowany na zewnątrz.
Jednakże układ ten nie jest idealnym odpowiednikiem astrofizycznych dysków akrecyjnych. Ruch cieczy nie tylko jest napędzany siłą odmienną od grawitacji, ale ciecz musi być również utrzymywana w pionie przez górne i dolne pokrywy. Poprzez tarcie lepkie granice te wprowadzają do płynu wtórne przepływy, które nie mają żadnego odpowiednika w rzeczywistym dysku akrecyjnym.
Ograniczone przepływy wtórne
W swoich badaniach zespół Verneta stworzył nowy eksperyment, w którym ciekły metal wprawiany jest w ruch przez promieniowe pole elektryczne. Pole to jest generowane przez przepływ prądu pomiędzy zewnętrzną elektrodą w kształcie pierścienia a centralnym cylindrem. Chociaż płyn jest nadal zamknięty pionowo, zasięg przepływów wtórnych jest ograniczony przez pionowe pole magnetyczne, które jest wytwarzane przez cewki umieszczone nad i pod dyskiem.
Akrecja, a nie zderzające się spaghetti, wybucha, gdy gwiazda zostaje pochłonięta przez czarną dziurę
W swoim eksperymencie badacze byli w stanie kontrolować zarówno prędkość obrotową cieczy, jak i poziom jej turbulencji. Badając ciecz za pomocą czujników, odkryli, że moment pędu rzeczywiście jest wypychany na zewnątrz przez turbulentne przepływy wewnątrz większości dysku. Co więcej, miało to miejsce przy bardzo małych wartościach lepkości cząsteczkowej. Bardzo przypomina to obserwacje prawdziwych dysków akrecyjnych, gdzie materia traci swój moment pędu i opada do wewnątrz – pomimo wyraźnego braku lepkości w gazie i pyle.
W eksperymencie nadal obecne są przepływy wtórne, co oznacza, że zespołowi nie udało się w pełni symulować przepływów turbulentnych w dyskach akrecyjnych. Jednakże dzięki dalszym udoskonaleniom naukowcy mają nadzieję, że zawieszone dyski ciekłego metalu będą wkrótce mogły umożliwić astronomom oszacowanie poziomu turbulencji związanych z obserwowanymi dyskami akrecyjnymi.
Badania opisano w Physical Review Letters.
