Các nhà nghiên cứu ở Pháp đã tạo ra một thí nghiệm mới có thể cải thiện hiểu biết của chúng ta về động lực học của đĩa bồi tụ sao và lỗ đen. Thiết kế bởi Marlone Vernet và cộng sự tại Đại học Sorbonne ở Paris, thí nghiệm sử dụng sự kết hợp giữa điện trường hướng tâm và từ trường thẳng đứng để chứa một đĩa kim loại lỏng đang quay. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu quan sát động lượng góc được truyền bên trong đĩa như thế nào – thứ có thể cung cấp hiểu biết sâu sắc về sự hình thành hành tinh và các vùng xung quanh lỗ đen.
Sự bồi tụ là quá trình mà một vật thể khối lượng lớn như một ngôi sao hoặc lỗ đen hút khí và bụi từ môi trường xung quanh nó. Kết quả là một đĩa bồi tụ quay tròn, với khí và bụi ngày càng tiến gần đến vật thể nặng. Trong các hệ sao, các hành tinh hình thành trong các đĩa bồi tụ và các nhà thiên văn học có thể nghiên cứu các lỗ đen bằng cách quan sát bức xạ từ các đĩa bồi tụ của chúng.
Để bụi và khí di chuyển ngày càng gần vật thể nặng hơn, bằng cách nào đó, nó phải mất xung lượng góc trên đường đi. Kết quả là xung lượng góc phải được truyền từ bên trong đĩa bồi tụ ra rìa ngoài của nó. Tuy nhiên, chính xác làm thế nào điều này xảy ra, vẫn còn là một bí ẩn. Một khả năng là ma sát giữa phần bên trong và bên ngoài của phần đĩa đang quay truyền động lượng góc ra bên ngoài – nhưng độ nhớt của đĩa dường như quá thấp để điều này xảy ra.
Dòng chảy rối
Một lời giải thích hợp lý hơn là sự truyền động lượng góc được tăng cường bởi các dòng cắt rối trong đĩa. Tuy nhiên, bất chấp hàng thập kỷ kiểm tra chặt chẽ bằng cả hình ảnh từ kính viễn vọng và mô phỏng trên máy tính, cơ chế điều khiển sự nhiễu loạn này vẫn chưa rõ ràng.
Điều này đã truyền cảm hứng cho các nhà vật lý thiên văn đến phòng thí nghiệm và thực hiện các thí nghiệm tương tự như đĩa bồi tụ. Trong một thí nghiệm điển hình, một chất lỏng được chứa trong không gian giữa hai hình trụ quay độc lập. Thay vì trọng lực, chất lỏng được chuyển động thông qua ma sát nhớt với hai xi lanh. Bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của các hình trụ, các nhà nghiên cứu có thể tái tạo các chuyển động xuyên tâm được quan sát thấy trong các đĩa bồi tụ thực – cung cấp một số hiểu biết về cách vận chuyển động lượng góc ra bên ngoài.
Tuy nhiên, thiết lập này còn lâu mới trở thành một dạng tương tự lý tưởng của các đĩa bồi tụ vật lý thiên văn. Không chỉ chuyển động của chất lỏng được điều khiển bởi một lực không giống như trọng lực, chất lỏng còn phải được chứa theo phương thẳng đứng bởi các nắp trên và dưới. Thông qua ma sát nhớt, các ranh giới này tạo ra các dòng chảy thứ cấp cho chất lỏng, không có bất kỳ đối trọng nào trong đĩa bồi tụ thực sự.
Dòng thứ cấp hạn chế
Trong nghiên cứu của mình, nhóm của Vernet đã tạo ra một thí nghiệm mới trong đó một kim loại lỏng được chuyển động bởi một điện trường hướng tâm. Trường này được tạo ra bằng cách truyền một dòng điện giữa một điện cực hình vòng bên ngoài và một hình trụ trung tâm. Mặc dù chất lỏng vẫn bị chặn theo phương thẳng đứng, phạm vi của các dòng thứ cấp bị giới hạn bởi từ trường thẳng đứng, được tạo ra bởi các cuộn dây đặt bên trên và bên dưới đĩa.
Sự bồi tụ, spaghetti không va chạm, bùng lên khi ngôi sao bị lỗ đen nuốt chửng
Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát cả tốc độ quay của chất lỏng và mức độ nhiễu loạn của nó. Bằng cách thăm dò chất lỏng bằng các cảm biến, họ phát hiện ra rằng động lượng góc thực sự được đẩy ra ngoài bởi các dòng chảy hỗn loạn bên trong phần lớn của đĩa. Hơn nữa, điều này xảy ra ở các giá trị rất thấp của độ nhớt phân tử. Điều này rất giống với các quan sát về các đĩa bồi tụ thực, nơi vật chất mất động lượng góc và rơi vào bên trong – mặc dù rõ ràng là không có độ nhớt trong khí và bụi.
Các dòng chảy thứ cấp vẫn xuất hiện trong thí nghiệm, điều đó có nghĩa là nhóm nghiên cứu không thể mô phỏng đầy đủ các dòng chảy rối trong các đĩa bồi tụ. Tuy nhiên, với những cải tiến hơn nữa, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng các đĩa kim loại lỏng lơ lửng có thể sớm cho phép các nhà thiên văn học ước tính mức độ nhiễu loạn liên quan đến các đĩa bồi tụ mà họ quan sát được.
Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.
