Исследователи из Франции создали новый эксперимент, который может улучшить наше понимание динамики аккреционных дисков звезд и черных дыр. Разработано Марлон Верне и коллеги в парижском университете Сорбонны в эксперименте используется комбинация радиальных электрических полей и вертикальных магнитных полей, чтобы удерживать вращающийся диск из жидкого металла. Это позволило команде наблюдать, как угловой момент передается внутри диска, что может дать представление о формировании планет и областях вокруг черных дыр.
Аккреция — это процесс, при котором массивный объект, такой как звезда или черная дыра, втягивает газ и пыль из своего окружения. В результате получается вращающийся аккреционный диск, в котором газ и пыль все ближе и ближе приближаются к массивному объекту. В звездных системах планеты формируются внутри аккреционных дисков, и астрономы могут изучать черные дыры, наблюдая за излучением их аккреционных дисков.
Чтобы пыль и газ приближались к массивному объекту, они должны каким-то образом терять по пути угловой момент. В результате угловой момент должен передаваться изнутри аккреционного диска к его внешнему краю. Однако как именно это происходит, остается загадкой. Одна возможность состоит в том, что трение между внутренней и внешней частями части вращающегося диска передает угловой момент наружу, но вязкость дисков кажется слишком низкой для этого.
Турбулентные сдвиговые течения
Более правдоподобное объяснение состоит в том, что передача углового момента усиливается турбулентными сдвиговыми течениями в диске. Но, несмотря на десятилетия тщательного изучения как телескопических изображений, так и компьютерного моделирования, механизмы, вызывающие эту турбулентность, до сих пор неясны.
Это вдохновило астрофизиков отправиться в лабораторию и провести эксперименты, являющиеся аналогами аккреционных дисков. В типичном эксперименте жидкость находится в пространстве между двумя независимо вращающимися цилиндрами. Вместо гравитации жидкость приводится в движение за счет вязкого трения с двумя цилиндрами. Регулируя скорость вращения цилиндров, исследователи могут воссоздать радиальные движения, наблюдаемые в реальных аккреционных дисках, что дает некоторое представление о том, как угловой момент передается наружу.
Однако эта установка далека от идеального аналога астрофизических аккреционных дисков. Мало того, что движение жидкости обусловлено силой, отличной от гравитации, жидкость также должна удерживаться вертикально верхней и нижней крышками. Через вязкое трение эти границы вводят в жидкость вторичные потоки, не имеющие аналога в реальном аккреционном диске.
Ограниченные вторичные потоки
В своем исследовании команда Верне провела новый эксперимент, в котором жидкий металл приводится в движение радиальным электрическим полем. Это поле создается путем пропускания тока между внешним кольцеобразным электродом и центральным цилиндром. Хотя жидкость по-прежнему закрыта вертикально, степень вторичных потоков ограничена вертикальным магнитным полем, которое создается катушками, расположенными над и под диском.
Аккреция, а не столкновение спагетти, вспыхивает, когда звезда поглощается черной дырой
В своем эксперименте исследователи смогли контролировать как скорость вращения жидкости, так и уровень ее турбулентности. Исследуя жидкость датчиками, они обнаружили, что угловой момент действительно выталкивается наружу турбулентными потоками внутри большей части диска. Причем это происходило при очень низких значениях молекулярной вязкости. Это очень похоже на наблюдения за реальными аккреционными дисками, где вещество теряет свой угловой момент и падает внутрь — несмотря на явное отсутствие вязкости газа и пыли.
Вторичные течения все еще присутствуют в эксперименте, а это означает, что команде не удалось полностью смоделировать турбулентные течения в аккреционных дисках. Однако с дальнейшими улучшениями исследователи надеются, что подвешенные жидкометаллические диски вскоре позволят астрономам оценить уровень турбулентности, связанный с аккреционными дисками, которые они наблюдают.
Исследование описано в Physical Review Letters,.
