Дослідники в США розробили експеримент, який намагається змоделювати складну динаміку астрофізичних акреційних дисків точніше, ніж будь-коли раніше. Інь Ван і його колеги з Прінстонського університету зробили це, адаптувавши попередні експериментальні методи, щоб уникнути небажаних потоків у їх моделюваному диску, при цьому більш точно представляючи магніто-обертальну нестабільність, яка, як вважають, виникає в реальних акреційних дисках.
Акреційні диски — це закручені вихори матерії, які утворюються, коли масивні об’єкти, такі як чорні діри та новоутворені зірки, збирають газ і пил із свого міжзоряного оточення. Приплив цього матеріалу призводить до формування планет і створює інтенсивне випромінювання, яке випромінюється з околиць деяких чорних дір.
Щоб газ і пил рухалися ближче до масивного об’єкта, він повинен передати кутовий момент до зовнішнього краю диска – і пояснення того, як це відбувається, уникає астрономів. Одна з провідних теорій полягає в тому, що це перенесення відбувається завдяки турбулентним потокам у диску. Щоб дослідити цю ідею, попередні дослідження використовували установку Тейлора Куетта, в якій рідина заповнює щілину між двома концентричними циліндрами, які можна обертати незалежно.
Астрофізика в лабораторії
Обертаючи зовнішній циліндр повільніше, ніж внутрішній, і ретельно контролюючи їхні відповідні рухи, дослідники можуть якомога точніше відтворити рухи акреційних дисків, що розвиваються. Їх мета полягає в тому, щоб визначити, чи дійсно турбулентні потоки можуть бути відповідальними за їх передачу кутового моменту.
Однак, окрім чіткого обмеження, що ці рухи не зумовлені силою тяжіння, рідина також повинна утримуватися вертикально верхньою та нижньою кришками. Це створює вторинні потоки рідини, аналогів яких немає в реальних акреційних дисках. Один Недавнє дослідження зроблено в Парижі, зменшило вплив цих небажаних потоків шляхом застосування вертикального магнітного поля до рідкого металевого диска – точніше відтворивши електропровідність справжніх акреційних дисків. Проте паризькій команді не вдалося повністю відтворити бажані бурхливі потоки.
Одним із можливих чинників турбулентності в акреційних дисках є магніто-обертальна нестабільність (МРТ): яка може краще пояснити, як електропровідна рідина, що диференціально обертається, може бути дестабілізована магнітним полем. Ця концепція була широко вивчена теоретично, але досі не підтверджена в експериментах Тейлора Куетта через труднощі у встановленні відповідних параметрів.
Провідна рідина
Команда Вана вирішила цю проблему, використовуючи рідину під назвою галінстан, яка є рідким сплавом галію, індія та олова, який приблизно вдвічі в’язкіший за воду та приблизно в 100 мільйонів разів більше проводить електрику. Щоб усунути вторинні потоки, вони також реалізували пару електропровідних ковпачків, які незалежно оберталися зі швидкостями, середніми до внутрішнього та зовнішнього циліндрів.
Експеримент із рідким металом імітує астрофізичні акреційні диски
Приклавши вертикальне магнітне поле вздовж осі обертання циліндрів, дослідники виміряли магнітне число Рейнольдса рідини, яке характеризує, як магнітне поле взаємодіє з провідною рідиною. Важливо те, що вони помітили, що це значення перевищило певний поріг: за яким сила магнітного поля, що проходить через внутрішній циліндр, почала нелінійно зростати, що вказувало на те, що було запущено МРТ.
Симуляції також змогли відтворити цю поведінку, тому спостереження команди є важливим кроком вперед у здатності дослідників відтворити динаміку акреційного диска в реальних експериментах; і, зрештою, у відповіді на давню таємницю, що оточує передачу кутового моменту в акреційних дисках.
Дослідження описано в Physical Review Letters,.
