Forskare i USA har designat ett experiment som försöker simulera den komplexa dynamiken hos astrofysiska ackretionsskivor närmare än någonsin tidigare. Yin Wang och kollegor vid Princeton University gjorde detta genom att anpassa tidigare experimentella tekniker för att undvika oönskade flöden i deras simulerade skiva, samtidigt som de närmare representerade den magneto-rotationsinstabilitet som tros uppstå i riktiga ackretionsskivor.
Accretionskivor är virvlande virvlar av materia som bildas när massiva föremål som svarta hål och nybildade stjärnor samlar gas och damm från sin interstellära omgivning. Inflödet av detta material leder till planetbildning och producerar den intensiva strålning som sänds ut från närheten av några svarta hål.
För att gas och damm ska kunna röra sig närmare det massiva föremålet måste det överföra rörelsemängd till skivans ytterkant – och en förklaring av hur detta händer har undgått astronomer. En ledande teori är att denna överföring drivs av turbulenta flöden i skivan. För att utforska denna idé har tidigare studier använt en Taylor Couette-uppsättning där en vätska fyller gapet mellan två koncentriska cylindrar som kan roteras oberoende av varandra.
Astrofysik i labbet
Genom att rotera den yttre cylindern långsammare än den inre cylindern, och noggrant kontrollera deras respektive rörelser, kan forskare på nära håll återskapa rörelserna hos utvecklande accretionsskivor så nära som möjligt. Deras mål här är att avgöra om turbulenta flöden verkligen kan vara ansvariga för deras vinkelmomentöverföring.
Utöver den tydliga begränsningen att dessa rörelser inte drivs av tyngdkraften, måste vätskan också hållas vertikalt av övre och nedre lock. Detta introducerar sekundära flöden till vätskan, utan någon analog i riktiga ackretionsskivor. Ett färsk studie gjort i Paris minskade inflytandet av dessa oönskade flöden genom att applicera ett vertikalt magnetfält på en flytande metallskiva – vilket närmare återskapar den elektriska ledningsförmågan hos verkliga accretionsskivor. Det parisiska laget återskapade dock inte helt de önskade turbulenta flödena.
En möjlig drivkraft för turbulens i accretionsskivor är magneto-rotationsinstabilitet (MRI): vilket bättre kan förklara hur en differentiellt roterande, elektriskt ledande vätska kan destabiliseras av ett magnetfält. Detta koncept har studerats mycket teoretiskt, men har fortfarande inte bekräftats i Taylor Couette-experiment på grund av svårigheter med att ställa in lämpliga parametrar.
Ledande vätska
Wangs team har tagit sig an denna utmaning genom att använda en vätska som heter galinstan, som är en flytande legering av gallium, indium och tenn som är ungefär dubbelt så trögflytande som vatten och cirka 100 miljoner gånger mer ledande av elektricitet. För att eliminera sekundära flöden implementerade de också ett par elektriskt ledande lock, som roterade oberoende av varandra med hastigheter mellan de inre och yttre cylindrarna.
Flytande metallexperiment simulerar astrofysiska ackretionsskivor
När de applicerade ett vertikalt magnetfält längs cylindrarnas rotationsaxel, mätte forskarna vätskans magnetiska Reynolds-tal, vilket kännetecknar hur ett magnetfält interagerar med en ledande vätska. Av avgörande betydelse observerade de att detta värde passerade en viss tröskel: bortom vilken styrkan på magnetfältet som passerade genom den inre cylindern började öka olinjärt - vilket tyder på att MRT hade utlösts.
Simuleringar har också kunnat reproducera detta beteende, så teamets observationer är ett viktigt steg framåt i forskarnas förmåga att reproducera accretion disc-dynamik i verkliga experiment; och slutligen, genom att besvara det långvariga mysteriet kring överföringen av vinkelmoment i accretion-skivor.
Forskningen beskrivs i Fysiska granskningsbrev.
