Pesquisadores na França criaram um novo experimento que pode melhorar nossa compreensão da dinâmica dos discos de acreção estelares e de buracos negros. Projetado por Marlone Vernet e colegas na Universidade Sorbonne de Paris, o experimento usa uma combinação de campos elétricos radiais e campos magnéticos verticais para conter um disco giratório de metal líquido. Isto permitiu à equipa observar como o momento angular é transferido dentro do disco – algo que poderia fornecer informações sobre a formação planetária e as regiões em torno dos buracos negros.
Acreção é o processo pelo qual um objeto massivo, como uma estrela ou um buraco negro, absorve gás e poeira de seu entorno. O resultado é um disco de acreção circulante, com o gás e a poeira cada vez mais próximos do objeto massivo. Em sistemas estelares, os planetas formam-se dentro de discos de acreção e os astrónomos podem estudar buracos negros observando a radiação dos seus discos de acreção.
Para que a poeira e o gás se aproximem cada vez mais do objeto massivo, devem de alguma forma perder momento angular ao longo do caminho. Como resultado, o momento angular deve ser transferido do interior de um disco de acreção para a sua borda externa. Exatamente como isso acontece, no entanto, permanece um mistério. Uma possibilidade é que o atrito entre as partes interna e externa da parte do disco giratório transfira o momento angular para fora – mas a viscosidade dos discos parece muito baixa para que isso ocorra.
Fluxos de cisalhamento turbulentos
Uma explicação mais plausível é que a transferência de momento angular é aumentada por fluxos de cisalhamento turbulentos no disco. Mas, apesar de décadas de exame minucioso tanto com imagens de telescópios como com simulações de computador, os mecanismos que impulsionam esta turbulência ainda não são claros.
Isso inspirou os astrofísicos a irem ao laboratório e fazerem experimentos análogos aos discos de acreção. Numa experiência típica, um líquido está contido no espaço entre dois cilindros que giram independentemente. Em vez da gravidade, o líquido é colocado em movimento através do atrito viscoso com os dois cilindros. Ao ajustar as velocidades de rotação dos cilindros, os investigadores podem recriar os movimentos radiais observados em discos de acreção reais – fornecendo algumas informações sobre como o momento angular é transportado para fora.
No entanto, esta configuração está longe de ser um análogo ideal dos discos de acreção astrofísica. Não só o movimento do líquido é impulsionado por uma força diferente da gravidade, como o fluido também deve ser contido verticalmente pelas tampas superior e inferior. Através do atrito viscoso, esses limites introduzem fluxos secundários no fluido, que não têm contrapartida no disco de acreção real.
Fluxos secundários limitados
Em seu estudo, a equipe de Vernet criou um novo experimento no qual um metal líquido é colocado em movimento por um campo elétrico radial. Este campo é gerado pela passagem de uma corrente entre um eletrodo externo em forma de anel e um cilindro central. Embora o fluido ainda esteja tampado verticalmente, a extensão dos fluxos secundários é limitada por um campo magnético vertical, que é criado por bobinas colocadas acima e abaixo do disco.
Acreção, não espaguete em colisão, explode quando estrela é devorada por buraco negro
Na sua experiência, os investigadores conseguiram controlar tanto a velocidade de rotação do líquido como o seu nível de turbulência. Ao sondar o líquido com sensores, eles descobriram que o momento angular era de fato impulsionado para fora por fluxos turbulentos dentro da maior parte do disco. Além disso, isso ocorreu em valores muito baixos de viscosidade molecular. Isto é muito semelhante às observações de discos de acreção reais, onde o material perde o seu momento angular e cai para dentro – apesar de uma clara falta de viscosidade no gás e na poeira.
Os fluxos secundários ainda estão presentes no experimento, o que significa que a equipe não foi capaz de simular totalmente os fluxos turbulentos em discos de acreção. Com mais melhorias, no entanto, os investigadores esperam que os discos de metal líquido suspensos possam em breve permitir aos astrónomos estimar o nível de turbulência associado aos discos de acreção que observam.
A pesquisa é descrita em Physical Review Letters.
