Naukowcy z USA zaprojektowali eksperyment, który ma na celu dokładniejsze niż kiedykolwiek symulowanie złożonej dynamiki astrofizycznych dysków akrecyjnych. Yin Wang i jego koledzy z Princeton University dokonali tego, dostosowując wcześniejsze techniki eksperymentalne, aby uniknąć niepożądanych przepływów w symulowanym dysku, przy jednoczesnym bliższym odwzorowaniu niestabilności magneto-rotacyjnej, która, jak się uważa, pojawia się w rzeczywistych dyskach akrecyjnych.
Dyski akrecyjne to wirujące wiry materii, które tworzą masywne obiekty, takie jak czarne dziury i nowo powstające gwiazdy, gromadzą gaz i pył ze swojego międzygwiazdowego otoczenia. Napływ tego materiału prowadzi do formowania się planet i wytwarza intensywne promieniowanie emitowane z okolic niektórych czarnych dziur.
Aby gaz i pył zbliżyły się do masywnego obiektu, muszą przenieść moment pędu na zewnętrzną krawędź dysku – a wyjaśnienie, jak to się dzieje, umknęło astronomom. Jedna z wiodących teorii głosi, że transfer ten jest napędzany przez turbulentne przepływy w dysku. Aby zbadać ten pomysł, w poprzednich badaniach wykorzystano układ Taylora Couette, w którym płyn wypełnia lukę między dwoma koncentrycznymi cylindrami, które mogą być obracane niezależnie.
Astrofizyka w laboratorium
Obracając cylinder zewnętrzny wolniej niż cylinder wewnętrzny i uważnie kontrolując ich odpowiednie ruchy, naukowcy mogą jak najwierniej odtworzyć ruchy ewoluujących dysków akrecyjnych. Ich celem jest ustalenie, czy przepływy turbulentne mogą być rzeczywiście odpowiedzialne za przeniesienie ich momentu pędu.
Jednakże, poza wyraźnym ograniczeniem, że ruchy te nie są powodowane grawitacją, płyn musi być również utrzymywany pionowo przez górną i dolną nasadkę. Wprowadza to wtórne przepływy do płynu, bez analogii w rzeczywistych dyskach akrecyjnych. Jeden Ostatnie badania wykonane w Paryżu zmniejszyły wpływ tych niepożądanych przepływów poprzez przyłożenie pionowego pola magnetycznego do dysku z ciekłego metalu – dokładniej odtwarzając przewodność elektryczną rzeczywistych dysków akrecyjnych. Jednak paryski zespół nie odtworzył w pełni pożądanych przepływów turbulentnych.
Jednym z możliwych czynników napędzających turbulencje w dyskach akrecyjnych jest niestabilność magneto-rotacyjna (MRI), która może lepiej wyjaśnić, w jaki sposób obracający się różnicowo płyn przewodzący prąd elektryczny może zostać zdestabilizowany przez pole magnetyczne. Koncepcja ta była szeroko badana teoretycznie, ale nadal nie została potwierdzona w eksperymentach Taylora Couette'a ze względu na trudności w ustawieniu odpowiednich parametrów.
Ciecz przewodząca
Zespół Wang poradził sobie z tym wyzwaniem, używając płynu zwanego galinstanem, który jest ciekłym stopem galu, indu i cyny, który jest około dwa razy lepszy niż woda i około 100 milionów razy lepiej przewodzi elektryczność. Aby wyeliminować przepływy wtórne, wdrożono również parę przewodzących prąd nasadek, które obracały się niezależnie z prędkościami pośrednimi do cylindrów wewnętrznego i zewnętrznego.
Eksperyment z ciekłym metalem symuluje astrofizyczne dyski akrecyjne
Po przyłożeniu pionowego pola magnetycznego wzdłuż osi obrotu cylindrów naukowcy zmierzyli magnetyczną liczbę Reynoldsa płynu, która charakteryzuje sposób, w jaki pole magnetyczne oddziałuje z płynem przewodzącym. Co najważniejsze, zaobserwowali, że wartość ta przekroczyła pewien próg: powyżej którego siła pola magnetycznego przechodzącego przez wewnętrzny cylinder zaczęła wzrastać nieliniowo – wskazując, że MRI zostało uruchomione.
Symulacje były również w stanie odtworzyć to zachowanie, więc obserwacje zespołu są ważnym krokiem naprzód w zakresie zdolności naukowców do odtworzenia dynamiki dysków akrecyjnych w rzeczywistych eksperymentach; i ostatecznie, w odpowiedzi na odwieczną tajemnicę związaną z przenoszeniem momentu pędu w dyskach akrecyjnych.
Badania opisano w Physical Review Letters.
