Forskare i Frankrike har skapat ett nytt experiment som kan förbättra vår förståelse av dynamiken hos stjärn- och svarthåls-tillväxtskivor. Designad av Marlone Vernet och kollegor vid Sorbonne University of Paris använder experimentet en kombination av radiella elektriska fält och vertikala magnetfält för att innehålla en roterande skiva av flytande metall. Detta gjorde det möjligt för teamet att observera hur rörelsemängd överförs inom skivan – något som kan ge insikter om planetbildning och regionerna runt svarta hål.
Accretion är den process genom vilken ett massivt föremål som en stjärna eller ett svart hål drar in gas och damm från sin omgivning. Resultatet är en cirkulerande ansamlingsskiva, där gasen och dammet kommer närmare och närmare det massiva föremålet. I stjärnsystem bildas planeter inom ackretionsskivor och astronomer kan studera svarta hål genom att observera strålningen från deras ackretionsskivor.
För att dammet och gasen ska kunna röra sig allt närmare det massiva föremålet måste det på något sätt tappa rörelsemängden på vägen. Som ett resultat måste vinkelmomentum överföras från insidan av en ackretionsskiva till dess yttre kant. Exakt hur detta går till förblir dock ett mysterium. En möjlighet är att friktionen mellan de inre och yttre delarna av delen av den roterande skivan överför vinkelmomentet utåt – men viskositeten på skivorna verkar alldeles för låg för att detta ska inträffa.
Turbulenta skjuvflöden
En mer rimlig förklaring är att rörelsemängdsöverföringen förstärks av turbulenta skjuvflöden i skivan. Men trots årtionden av noggrann undersökning med både teleskopbilder och datorsimuleringar är mekanismerna som driver denna turbulens fortfarande oklara.
Detta har inspirerat astrofysiker att ta sig till labbet och göra experiment som är analoger till ackretionsskivor. I ett typiskt experiment finns en vätska i utrymmet mellan två oberoende roterande cylindrar. Istället för gravitationen drivs vätskan i rörelse genom viskös friktion med de två cylindrarna. Genom att justera cylindrarnas rotationshastigheter kan forskare återskapa de radiella rörelser som observeras i verkliga ackretionsskivor – vilket ger en inblick i hur vinkelmomentet transporteras utåt.
Den här inställningen är dock långt ifrån en idealisk analog till astrofysiska accretionsskivor. Inte bara drivs vätskans rörelse av en kraft till skillnad från gravitationen, vätskan måste också hållas vertikalt av övre och nedre lock. Genom viskös friktion introducerar dessa gränser sekundära flöden till vätskan, som inte har någon motsvarighet i verklig ackretionsskiva.
Begränsade sekundära flöden
I sin studie skapade Vernets team ett nytt experiment där en flytande metall drivs i rörelse av ett radiellt elektriskt fält. Detta fält genereras genom att leda en ström mellan en yttre, ringformad elektrod och en central cylinder. Även om vätskan fortfarande är vertikalt täckt, begränsas omfattningen av de sekundära flödena av ett vertikalt magnetfält, som skapas av spolar placerade ovanför och under skivan.
Accretion, inte kolliderande spagetti, blossar upp när stjärnan slukas av svarta hål
I sitt experiment kunde forskarna kontrollera både vätskans rotationshastighet och dess turbulensnivå. Genom att sondera vätskan med sensorer upptäckte de att vinkelmomentet verkligen drevs utåt av turbulenta flöden inuti skivans huvuddel. Dessutom inträffade detta vid mycket låga värden på molekylär viskositet. Detta påminner mycket om observationer av verkliga ansamlingsskivor, där material tappar sin vinkelmomentum och faller inåt – trots en tydlig brist på viskositet i gasen och dammet.
Sekundära flöden är fortfarande närvarande i experimentet, vilket innebär att teamet inte helt kunde simulera turbulenta flöden i accretion-skivor. Med ytterligare förbättringar hoppas forskarna dock att suspenderade flytande metallskivor snart skulle kunna göra det möjligt för astronomer att uppskatta nivån av turbulens som är förknippad med ackretionsskivorna de observerar.
Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev.
