Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã thiết kế một thí nghiệm nhằm mô phỏng động lực học phức tạp của các đĩa bồi tụ vật lý thiên văn một cách chặt chẽ hơn bao giờ hết. Yin Wang và các đồng nghiệp tại Đại học Princeton đã thực hiện điều này bằng cách điều chỉnh các kỹ thuật thí nghiệm trước đây để tránh các dòng chảy không mong muốn trong đĩa mô phỏng của họ, đồng thời thể hiện gần hơn tính không ổn định quay từ tính được cho là xuất hiện trong đĩa bồi tụ thực.

Đĩa bồi tụ là các xoáy xoáy của vật chất hình thành khi các vật thể có khối lượng lớn như lỗ đen và các ngôi sao mới hình thành thu thập khí và bụi từ môi trường xung quanh giữa các vì sao của chúng. Dòng vật chất này dẫn đến sự hình thành hành tinh và tạo ra bức xạ cường độ cao phát ra từ vùng lân cận của một số lỗ đen.

Để khí và bụi di chuyển đến gần vật thể lớn, nó phải truyền mômen động lượng đến rìa ngoài của đĩa - và lời giải thích về cách điều này xảy ra đã bị các nhà thiên văn học bỏ qua. Một giả thuyết hàng đầu cho rằng sự chuyển giao này được thúc đẩy bởi các dòng chảy hỗn loạn trong đĩa. Để khám phá ý tưởng này, các nghiên cứu trước đây đã sử dụng thiết lập Taylor Couette trong đó chất lỏng lấp đầy khoảng trống giữa hai hình trụ đồng tâm có thể quay độc lập.

Vật lý thiên văn trong phòng thí nghiệm

Bằng cách quay hình trụ bên ngoài chậm hơn hình trụ bên trong và kiểm soát cẩn thận các chuyển động tương ứng của chúng, các nhà nghiên cứu có thể tái tạo lại các chuyển động của các đĩa bồi tụ tiến hóa một cách chặt chẽ nhất có thể. Mục đích của họ ở đây là xác định xem liệu các dòng chảy hỗn loạn có thể thực sự là nguyên nhân dẫn đến chuyển động lượng góc của chúng hay không.

Tuy nhiên, ngoài giới hạn rõ ràng là các chuyển động này không được điều khiển bởi trọng lực, chất lỏng cũng phải được chứa theo phương thẳng đứng bằng các nắp trên và dưới. Điều này giới thiệu các dòng thứ cấp đến chất lỏng, không có chất tương tự trong các đĩa bồi tụ thực. Một nghiên cứu gần đây được thực hiện ở Paris đã làm giảm ảnh hưởng của những dòng chảy không mong muốn này bằng cách áp dụng một từ trường thẳng đứng lên một đĩa kim loại lỏng - tái tạo chặt chẽ hơn khả năng dẫn điện của các đĩa bồi tụ thực. Tuy nhiên, đội bóng thành Paris đã không tái hiện được đầy đủ những dòng chảy sóng gió như mong muốn.

Một yếu tố có thể gây ra sự hỗn loạn trong đĩa bồi tụ là tính không ổn định quay từ trường (MRI): điều này có thể giải thích tốt hơn cách một chất lỏng dẫn điện, quay vi sai có thể bị mất ổn định bởi từ trường. Khái niệm này đã được nghiên cứu rộng rãi về mặt lý thuyết, nhưng vẫn chưa được xác nhận trong các thí nghiệm của Taylor Couette vì những khó khăn trong việc thiết lập các tham số thích hợp.

Chất lỏng dẫn điện

Nhóm của Wang đã giải quyết thách thức này bằng cách sử dụng một chất lỏng gọi là galinstan, là hợp kim lỏng của gali, indium và thiếc, nhớt gấp đôi nước và dẫn điện gấp 100 triệu lần. Để loại bỏ dòng chảy thứ cấp, họ cũng thực hiện một cặp nắp dẫn điện, quay độc lập với tốc độ trung gian so với hình trụ bên trong và bên ngoài.

Khi họ đặt một từ trường thẳng đứng dọc theo trục quay của hình trụ, các nhà nghiên cứu đã đo số Reynolds từ tính của chất lỏng, đặc trưng cho cách từ trường tương tác với chất lỏng dẫn điện. Điều quan trọng, họ quan sát thấy giá trị này vượt qua một ngưỡng nhất định: vượt qua ngưỡng đó cường độ của từ trường đi qua hình trụ bên trong bắt đầu tăng lên một cách phi tuyến - cho thấy rằng MRI đã được kích hoạt.

Mô phỏng cũng có thể tái tạo hành vi này, vì vậy quan sát của nhóm là một bước tiến quan trọng trong khả năng của các nhà nghiên cứu để tái tạo động lực của đĩa bồi tụ trong các thí nghiệm thực tế; và cuối cùng, để giải đáp bí ẩn lâu đời xung quanh sự chuyển động lượng góc trong các đĩa bồi tụ.

Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.