Pesquisadores nos EUA projetaram um experimento que tenta simular a dinâmica complexa dos discos de acreção astrofísica mais de perto do que nunca. Yin Wang e colegas da Universidade de Princeton fizeram isso adaptando técnicas experimentais anteriores para evitar fluxos indesejados em seu disco simulado, enquanto representavam mais de perto a instabilidade magneto-rotacional que se acredita surgir em discos de acreção reais.
Os discos de acreção são vórtices rodopiantes de matéria que se formam à medida que objetos massivos, como buracos negros e estrelas recém-formadas, coletam gás e poeira de seus arredores interestelares. O influxo desse material leva à formação de planetas e produz a intensa radiação que é emitida da vizinhança de alguns buracos negros.
Para que o gás e a poeira se aproximem do objeto massivo, ele deve transferir o momento angular para a borda externa do disco – e uma explicação de como isso acontece iludiu os astrônomos. Uma das principais teorias é que essa transferência é impulsionada por fluxos turbulentos no disco. Para explorar essa ideia, estudos anteriores usaram uma configuração de Taylor Couette na qual um fluido preenche a lacuna entre dois cilindros concêntricos que podem ser girados independentemente.
Astrofísica no laboratório
Ao girar o cilindro externo mais lentamente do que o cilindro interno e controlar cuidadosamente seus respectivos movimentos, os pesquisadores podem recriar de perto os movimentos dos discos de acreção em evolução o mais próximo possível. Seu objetivo aqui é determinar se fluxos turbulentos podem realmente ser responsáveis por sua transferência de momento angular.
No entanto, além da clara limitação de que esses movimentos não são impulsionados pela gravidade, o fluido também deve ser contido verticalmente pelas tampas superior e inferior. Isso introduz fluxos secundários no fluido, sem análogos em discos de acreção reais. Um estudo recente feito em Paris reduziu a influência desses fluxos indesejados aplicando um campo magnético vertical a um disco de metal líquido – recriando mais de perto a condutividade elétrica dos discos de acreção reais. No entanto, a equipe parisiense não recriou totalmente os fluxos turbulentos desejados.
Um possível driver para a turbulência nos discos de acreção é a instabilidade magneto-rotacional (MRI): o que poderia explicar melhor como um fluido eletricamente condutor de rotação diferencial pode ser desestabilizado por um campo magnético. Este conceito tem sido amplamente estudado teoricamente, mas ainda não foi confirmado nos experimentos de Taylor Couette devido às dificuldades em estabelecer os parâmetros apropriados.
Líquido condutor
A equipe de Wang enfrentou esse desafio usando um fluido chamado galinstan, que é uma liga líquida de gálio, índio e estanho que é cerca de duas vezes mais viscosa que a água e cerca de 100 milhões de vezes mais condutora de eletricidade. Para eliminar fluxos secundários, eles também implementaram um par de tampas eletricamente condutoras, que giravam independentemente em velocidades intermediárias aos cilindros interno e externo.
Experimento de metal líquido simula discos de acreção astrofísica
Ao aplicar um campo magnético vertical ao longo do eixo de rotação dos cilindros, os pesquisadores mediram o número de Reynolds magnético do fluido, que caracteriza como um campo magnético interage com um fluido condutor. Crucialmente, eles observaram esse valor passando de um certo limite: além do qual a força do campo magnético que passava pelo cilindro interno começou a aumentar de forma não linear – indicando que a ressonância magnética havia sido acionada.
As simulações também foram capazes de reproduzir esse comportamento, então as observações da equipe são um passo importante na capacidade dos pesquisadores de reproduzir a dinâmica do disco de acreção em experimentos reais; e, finalmente, em responder ao mistério de longa data em torno da transferência de momento angular em discos de acreção.
A pesquisa é descrita em Physical Review Letters.
