Дослідники з Франції створили новий експеримент, який може покращити наше розуміння динаміки акреційних дисків зірок і чорних дір. Спроектований Марлон Верне та колеги в Паризькому університеті Сорбонна експеримент використовує комбінацію радіальних електричних полів і вертикальних магнітних полів для утримання обертового диска рідкого металу. Це дозволило команді спостерігати, як кутовий момент передається всередині диска, що могло б дати розуміння формування планет і регіонів навколо чорних дір.
Акреція — це процес, за якого масивний об’єкт, наприклад зірка або чорна діра, втягує газ і пил із свого оточення. У результаті виходить акреційний диск, що обертається, а газ і пил стають все ближче й ближче до масивного об’єкта. У зоряних системах планети утворюються всередині акреційних дисків, і астрономи можуть вивчати чорні діри, спостерігаючи за випромінюванням їх акреційних дисків.
Щоб пил і газ рухалися все ближче до масивного об’єкта, вони повинні якимось чином втратити кутовий момент на цьому шляху. У результаті момент імпульсу повинен передаватися зсередини акреційного диска до його зовнішнього краю. Проте, як саме це відбувається, залишається загадкою. Однією з можливостей є те, що тертя між внутрішньою та зовнішньою частинами частини обертового диска передає кутовий момент назовні, але в’язкість дисків здається занадто низькою, щоб це сталося.
Турбулентні зсувні течії
Більш правдоподібним поясненням є те, що передача моменту імпульсу посилюється турбулентними зсувними потоками в диску. Але, незважаючи на десятиліття ретельного вивчення зображень із телескопів і комп’ютерного моделювання, механізми, що спричиняють цю турбулентність, досі неясні.
Це надихнуло астрофізиків піти в лабораторію та провести експерименти, які є аналогами акреційних дисків. У типовому експерименті рідина міститься в просторі між двома незалежно обертовими циліндрами. Замість сили тяжіння рідина приводиться в рух через в’язке тертя з двома циліндрами. Регулюючи швидкість обертання циліндрів, дослідники можуть відтворити радіальні рухи, які спостерігаються в реальних акреційних дисках, надаючи певне уявлення про те, як кутовий момент транспортується назовні.
Однак ця установка далеко не ідеальний аналог астрофізичних акреційних дисків. Мало того, що рух рідини керується силою, відмінною від сили тяжіння, рідина також повинна утримуватися вертикально верхніми та нижніми кришками. Завдяки в’язкому тертю ці межі створюють вторинні потоки рідини, які не мають відповідників у реальному акреційному диску.
Обмежені вторинні потоки
У своєму дослідженні команда Верне створила новий експеримент, у якому рідкий метал приводиться в рух радіальним електричним полем. Це поле створюється шляхом проходження струму між зовнішнім кільцевим електродом і центральним циліндром. Хоча рідина все ще має вертикальну кришку, обсяг вторинних потоків обмежений вертикальним магнітним полем, яке створюється котушками, розташованими над і під диском.
Акреція, а не спагетті, що стикаються, спалахує, коли зірку поглинає чорна діра
У своєму експерименті дослідники змогли контролювати як швидкість обертання рідини, так і рівень її турбулентності. Досліджуючи рідину за допомогою датчиків, вони виявили, що кутовий момент справді витіснявся назовні турбулентними потоками всередині об’єму диска. Більш того, це відбувалося при дуже низьких значеннях молекулярної в'язкості. Це дуже схоже на спостереження реальних акреційних дисків, де матеріал втрачає свій кутовий момент і падає всередину, незважаючи на явну відсутність в’язкості газу та пилу.
Вторинні потоки все ще присутні в експерименті, що означає, що команда не змогла повністю змоделювати турбулентні потоки в акреційних дисках. Однак дослідники сподіваються, що з подальшими вдосконаленнями підвішені рідкі металеві диски незабаром дозволять астрономам оцінити рівень турбулентності, пов’язаної з акреційними дисками, які вони спостерігають.
Дослідження описано в Physical Review Letters,.
