Исследователи в США разработали эксперимент, который пытается смоделировать сложную динамику астрофизических аккреционных дисков более точно, чем когда-либо прежде. Инь Ван и его коллеги из Принстонского университета сделали это, адаптировав предыдущие экспериментальные методы, чтобы избежать нежелательных потоков в их смоделированном диске, в то же время более точно представив магнито-вращательную нестабильность, которая, как полагают, возникает в реальных аккреционных дисках.
Аккреционные диски представляют собой вращающиеся вихри материи, которые образуются, когда массивные объекты, такие как черные дыры и вновь формирующиеся звезды, собирают газ и пыль из своего межзвездного окружения. Приток этого материала приводит к формированию планет и производит интенсивное излучение, испускаемое окрестностями некоторых черных дыр.
Чтобы газ и пыль приблизились к массивному объекту, они должны передать угловой момент внешнему краю диска — и объяснение того, как это происходит, ускользает от астрономов. Одна из ведущих теорий состоит в том, что этот перенос управляется турбулентными потоками в диске. Чтобы изучить эту идею, в предыдущих исследованиях использовалась установка Тейлора Куэтта, в которой жидкость заполняет зазор между двумя концентрическими цилиндрами, которые могут вращаться независимо.
Астрофизика в лаборатории
Вращая внешний цилиндр медленнее, чем внутренний цилиндр, и тщательно контролируя их соответствующие движения, исследователи могут максимально точно воссоздать движения эволюционирующих аккреционных дисков. Их цель здесь состоит в том, чтобы определить, действительно ли турбулентные потоки могут быть ответственны за передачу их углового момента.
Однако помимо четкого ограничения, что эти движения не вызываются силой тяжести, жидкость также должна удерживаться вертикально верхней и нижней крышками. Это вводит в жидкость вторичные потоки, не имеющие аналога в реальных аккреционных дисках. Один Недавнее исследование сделанный в Париже, уменьшил влияние этих нежелательных потоков, приложив вертикальное магнитное поле к диску из жидкого металла, что более точно воссоздало электропроводность реальных аккреционных дисков. Однако парижской команде не удалось полностью воссоздать желаемые турбулентные потоки.
Одной из возможных движущих сил турбулентности в аккреционных дисках является магнито-вращательная нестабильность (МРТ), которая могла бы лучше объяснить, как дифференциально вращающаяся электрически проводящая жидкость может быть дестабилизирована магнитным полем. Эта концепция широко изучалась теоретически, но до сих пор не подтверждена в экспериментах Тейлора Куэтта из-за трудностей с установкой соответствующих параметров.
Проводящая жидкость
Команда Ванга решила эту проблему, используя жидкость под названием галинстан, представляющую собой жидкий сплав галлия, индия и олова, который примерно в два раза вязче воды и примерно в 100 миллионов раз лучше проводит электричество. Чтобы устранить вторичные потоки, они также внедрили пару электропроводящих крышек, которые вращались независимо друг от друга со скоростями, промежуточными по отношению к внутреннему и внешнему цилиндрам.
Эксперимент с жидким металлом моделирует астрофизические аккреционные диски
Когда они приложили вертикальное магнитное поле вдоль оси вращения цилиндров, исследователи измерили магнитное число Рейнольдса жидкости, которое характеризует взаимодействие магнитного поля с проводящей жидкостью. Важно отметить, что они наблюдали, как это значение превышает определенный порог: за которым сила магнитного поля, проходящего через внутренний цилиндр, начинает нелинейно увеличиваться, что указывает на запуск МРТ.
Моделирование также смогло воспроизвести это поведение, поэтому наблюдения команды являются важным шагом вперед в способности исследователей воспроизводить динамику аккреционного диска в реальных экспериментах; и, наконец, в ответ на давнюю загадку, связанную с передачей углового момента в аккреционных дисках.
Исследование описано в Physical Review Letters,.
