การทดลองของไหลแม่เหล็กทำให้กระจ่างบนดิสก์สะสมทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์

นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาได้ออกแบบการทดลองที่พยายามจำลองไดนามิกที่ซับซ้อนของแผ่นเพิ่มมวลทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างใกล้ชิดกว่าที่เคยเป็นมา Yin Wang และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันทำสิ่งนี้โดยปรับเทคนิคการทดลองก่อนหน้านี้เพื่อหลีกเลี่ยงการไหลที่ไม่ต้องการในดิสก์จำลอง ขณะที่แสดงถึงความไม่เสถียรในการหมุนของสนามแม่เหล็กที่เชื่อกันว่าเกิดขึ้นในดิสก์สะสมจริงอย่างใกล้ชิด

ดิสก์สะสมกำลังหมุนวนของสสารที่ก่อตัวเป็นวัตถุขนาดใหญ่ เช่น หลุมดำและดาวฤกษ์ที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่จะรวบรวมก๊าซและฝุ่นจากสภาพแวดล้อมในอวกาศของพวกมัน การไหลเข้าของสารนี้นำไปสู่การก่อตัวดาวเคราะห์และก่อให้เกิดการแผ่รังสีที่รุนแรงซึ่งปล่อยออกมาจากบริเวณใกล้หลุมดำบางแห่ง

เพื่อให้ก๊าซและฝุ่นเคลื่อนเข้าใกล้วัตถุมวลมาก มันต้องถ่ายเทโมเมนตัมเชิงมุมไปยังขอบด้านนอกของจาน และคำอธิบายว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรทำให้นักดาราศาสตร์หลบเลี่ยง ทฤษฎีชั้นนำประการหนึ่งคือการถ่ายโอนนี้ขับเคลื่อนโดยกระแสที่ปั่นป่วนในแผ่นดิสก์ เพื่อสำรวจแนวคิดนี้ การศึกษาก่อนหน้านี้ได้ใช้การตั้งค่าของ Taylor Couette ซึ่งของเหลวจะเติมช่องว่างระหว่างกระบอกสูบที่มีศูนย์กลางสองกระบอกซึ่งสามารถหมุนได้อย่างอิสระ

ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในห้องปฏิบัติการ

ด้วยการหมุนกระบอกสูบด้านนอกช้ากว่ากระบอกสูบด้านใน และควบคุมการเคลื่อนที่ตามลำดับอย่างระมัดระวัง นักวิจัยสามารถสร้างการเคลื่อนที่ของจานสะสมกำลังที่พัฒนาขึ้นใหม่ได้ใกล้เคียงที่สุด เป้าหมายของพวกเขาที่นี่คือการพิจารณาว่ากระแสที่ปั่นป่วนสามารถรับผิดชอบต่อการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมได้หรือไม่

อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากข้อจำกัดที่ชัดเจนว่าการเคลื่อนไหวเหล่านี้ไม่ได้ขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วง ของเหลวยังต้องบรรจุในแนวตั้งโดยฝาครอบด้านบนและด้านล่าง ซึ่งจะแนะนำการไหลทุติยภูมิไปยังของไหล โดยไม่มีแอนะล็อกในดิสก์เพิ่มกำลังจริง หนึ่ง ผลการศึกษาล่าสุด ที่ทำในปารีสลดอิทธิพลของกระแสที่ไม่ต้องการเหล่านี้โดยการใช้สนามแม่เหล็กแนวตั้งกับแผ่นโลหะเหลว - สร้างค่าการนำไฟฟ้าของดิสก์สะสมจริงได้ใกล้เคียงยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ทีมงานชาวปารีสไม่ได้สร้างกระแสปั่นป่วนที่ต้องการขึ้นมาใหม่อย่างสมบูรณ์

ตัวขับเคลื่อนที่เป็นไปได้สำหรับความปั่นป่วนในดิสก์สะสมกำลังคือความไม่เสถียรในการหมุนของสนามแม่เหล็ก (MRI): ซึ่งสามารถอธิบายได้ดีขึ้นว่าของไหลที่หมุนด้วยไฟฟ้าและนำไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดความไม่เสถียรด้วยสนามแม่เหล็กได้อย่างไร แนวคิดนี้ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในทางทฤษฎี แต่ยังไม่ได้รับการยืนยันในการทดลองของ Taylor Couette เนื่องจากมีปัญหาในการตั้งค่าพารามิเตอร์ที่เหมาะสม

ของเหลวนำไฟฟ้า

ทีมงานของ Wang ได้จัดการกับความท้าทายนี้โดยใช้ของเหลวที่เรียกว่า galinstan ซึ่งเป็นโลหะผสมเหลวของแกลเลียม อินเดียม และดีบุก ซึ่งมีความหนืดเป็นสองเท่าของน้ำ และมีค่าการนำไฟฟ้ามากกว่า 100 ล้านเท่า เพื่อขจัดกระแสรอง พวกเขายังใช้แคปนำไฟฟ้าคู่หนึ่ง ซึ่งหมุนอย่างอิสระที่ความเร็วระดับกลางถึงกระบอกสูบด้านในและด้านนอก

ขณะที่พวกเขาใช้สนามแม่เหล็กแนวตั้งตามแนวแกนการหมุนของกระบอกสูบ นักวิจัยได้วัดจำนวนแม่เหล็กเรย์โนลด์สของของเหลว ซึ่งเป็นลักษณะที่สนามแม่เหล็กมีปฏิสัมพันธ์กับของเหลวนำไฟฟ้า สิ่งสำคัญที่สุดคือพวกเขาสังเกตเห็นค่านี้ผ่านเกณฑ์บางอย่าง: เกินกว่าที่ความแรงของสนามแม่เหล็กที่ผ่านกระบอกสูบด้านในเริ่มเพิ่มขึ้นแบบไม่เชิงเส้นซึ่งบ่งชี้ว่า MRI ได้รับการกระตุ้น

การจำลองยังสามารถทำซ้ำพฤติกรรมนี้ได้ ดังนั้นการสังเกตของทีมจึงเป็นก้าวสำคัญในความสามารถของนักวิจัยในการทำซ้ำไดนามิกดิสก์สะสมในการทดลองจริง และท้ายที่สุด ในการตอบคำถามลึกลับที่มีมาช้านานเกี่ยวกับการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมในจานสะสมมวล

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.