การทดลองโลหะเหลวจำลองดิสก์สะสมทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์

นักวิจัยในฝรั่งเศสได้สร้างการทดลองใหม่ที่สามารถปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับไดนามิกของจานสะสมมวลดาวฤกษ์และหลุมดำ ออกแบบโดย Marlone Vernet และเพื่อนร่วมงาน ที่มหาวิทยาลัยซอร์บอนน์แห่งปารีส การทดลองนี้ใช้การผสมผสานระหว่างสนามไฟฟ้าแนวรัศมีและสนามแม่เหล็กแนวตั้งเพื่อบรรจุจานหมุนของโลหะเหลว สิ่งนี้ทำให้ทีมสามารถสังเกตว่ามีการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมอย่างไรภายในแผ่นดิสก์ ซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์และบริเวณรอบๆ หลุมดำได้

การเพิ่มพูนเป็นกระบวนการที่วัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดาวฤกษ์หรือหลุมดำดึงเอาก๊าซและฝุ่นจากสภาพแวดล้อม ผลที่ได้คือจานสะสมมวลที่หมุนวน โดยก๊าซและฝุ่นจะเข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ ในระบบดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นภายในจานเพิ่มมวลสาร และนักดาราศาสตร์สามารถศึกษาหลุมดำได้โดยการสังเกตการแผ่รังสีจากจานเพิ่มมวลของพวกมัน

เพื่อให้ฝุ่นและก๊าซเคลื่อนที่เข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ มันต้องสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมไประหว่างทาง เป็นผลให้โมเมนตัมเชิงมุมต้องถูกถ่ายโอนจากภายในจานเพิ่มมวลไปยังขอบด้านนอก สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรยังคงเป็นปริศนา ความเป็นไปได้ประการหนึ่งคือแรงเสียดทานระหว่างชิ้นส่วนด้านในและด้านนอกของชิ้นส่วนของจานหมุนจะส่งโมเมนตัมเชิงมุมออกไปด้านนอก แต่ดูเหมือนว่าความหนืดของจานจะต่ำเกินไปที่สิ่งนี้จะเกิดขึ้น

กระแสเฉือนปั่นป่วน

คำอธิบายที่น่าเชื่อถือกว่านั้นคือการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมนั้นได้รับการปรับปรุงโดยการไหลของแรงเฉือนที่ปั่นป่วนในแผ่นดิสก์ แต่แม้จะมีการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดเป็นเวลาหลายทศวรรษด้วยภาพจากกล้องโทรทรรศน์และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ กลไกที่ขับเคลื่อนความปั่นป่วนนี้ก็ยังไม่ชัดเจน

สิ่งนี้เป็นแรงบันดาลใจให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ไปที่ห้องแล็บและทำการทดลองที่คล้ายกับแผ่นดิสก์สะสม ในการทดลองทั่วไป ของเหลวจะบรรจุอยู่ในช่องว่างระหว่างกระบอกสูบที่หมุนแยกกันสองกระบอก แทนที่จะใช้แรงโน้มถ่วง ของเหลวจะถูกผลักดันให้เคลื่อนที่ผ่านการเสียดสีแบบหนืดกับกระบอกสูบทั้งสอง ด้วยการปรับความเร็วในการหมุนของกระบอกสูบ นักวิจัยสามารถสร้างการเคลื่อนที่ในแนวรัศมีที่สังเกตได้ในจานเพิ่มปริมาณจริง ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการส่งโมเมนตัมเชิงมุมออกไปด้านนอก

อย่างไรก็ตาม การตั้งค่านี้ยังห่างไกลจากการเป็นอะนาล็อกในอุดมคติของจานสะสมมวลสารทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การเคลื่อนที่ของของเหลวไม่เพียงแต่ขับเคลื่อนด้วยแรงที่ไม่เหมือนแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ของเหลวยังต้องบรรจุในแนวตั้งด้วยฝาบนและฝาล่าง ด้วยแรงเสียดทานหนืด ขอบเขตเหล่านี้นำการไหลทุติยภูมิมาสู่ของไหล ซึ่งไม่มีสิ่งที่คล้ายกันในดิสก์เพิ่มปริมาณจริง

การไหลทุติยภูมิจำกัด

ในการศึกษาของพวกเขา ทีมของ Vernet ได้สร้างการทดลองใหม่ที่โลหะเหลวถูกขับเคลื่อนด้วยสนามไฟฟ้าในแนวรัศมี สนามนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการส่งผ่านกระแสระหว่างอิเล็กโทรดรูปวงแหวนด้านนอกและทรงกระบอกกลาง แม้ว่าของไหลจะยังคงปิดอยู่ในแนวตั้ง แต่ขอบเขตของการไหลทุติยภูมิจะถูกจำกัดโดยสนามแม่เหล็กแนวตั้ง ซึ่งสร้างโดยขดลวดที่วางด้านบนและด้านล่างของแผ่นดิสก์

ในการทดลอง นักวิจัยสามารถควบคุมทั้งความเร็วการหมุนของของเหลวและระดับความปั่นป่วนได้ จากการตรวจสอบของเหลวด้วยเซ็นเซอร์ พวกเขาค้นพบว่าโมเมนตัมเชิงมุมถูกขับออกไปด้านนอกโดยกระแสที่ปั่นป่วนภายในมวลของแผ่นดิสก์ ยิ่งไปกว่านั้น สิ่งนี้เกิดขึ้นที่ค่าความหนืดของโมเลกุลที่ต่ำมาก ซึ่งคล้ายกับการสังเกตจานเพิ่มมวลจริง ซึ่งวัสดุจะสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมและตกลงไปด้านใน แม้ว่าก๊าซและฝุ่นจะขาดความหนืดอย่างชัดเจนก็ตาม

การไหลทุติยภูมิยังคงมีอยู่ในการทดลอง ซึ่งหมายความว่าทีมงานไม่สามารถจำลองการไหลแบบปั่นป่วนในจานเพิ่มมวลได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ด้วยการปรับปรุงเพิ่มเติม นักวิจัยหวังว่าดิสก์โลหะเหลวที่แขวนลอยอยู่จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ประเมินระดับความปั่นป่วนที่เกี่ยวข้องกับดิสก์สะสมมวลที่สังเกตได้ในไม่ช้า

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.