Nowe badania wiążą wypaczanie wielkoskalowych dysków materiału we wszechświecie z równaniem Schrodingera, które opisuje kwantowo-mechaniczne zachowanie obiektów atomowych i subatomowych.
(Zdjęcie: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Ogromne dyski gwiazd lub szczątków mogą działać na tych samych zasadach co cząstki subatomowe, zmieniając się w oparciu o równanie Schrodingera, którego fizycy używają do modelowania układów kwantowo-mechanicznych.
Oglądanie struktur kosmicznych za pomocą tego równania może dać nowy wgląd w ewolucję galaktyk, a także ujawnić wskazówki na temat mechaniki wczesnego układu słonecznego i działania pierścieni krążących w odległych planetach, wynika z nowych badań.
Badacz z California Institute of Technology Konstantin Batygin, autor nowego badania, nie spodziewał się znaleźć tego szczególnego równania podczas badania tych dysków astrofizycznych. „W tym czasie byłem całkowicie podniecony”, powiedział Batygin dla Space.com. „Spodziewałem się, że pojawi się regularne równanie falowe, coś w rodzaju fali struny lub coś takiego. I zamiast tego otrzymuję to równanie, które jest tak naprawdę podstawą mechaniki kwantowej”. [Dysk latającego talerza do budowania planet jest zaskakująco fajny (wideo)]
Korzystając z równania Schrodingera, fizycy mogą interpretować interakcje układów w skali atomowej i subatomowej zarówno w kategoriach fal, jak i cząstek - kluczowa koncepcja w mechanice kwantowej, która opisuje czasami nieintuicyjne zachowanie tych układów. Okazuje się, że wypaczanie dysków astrofizycznych może również zachowywać się jak cząstki.
„Z perspektywy czasu, kiedy patrzę teraz na problem, jestem zaskoczony, że nie zgadłem, że tak właśnie będzie” - powiedział Batygin, który być może najbardziej znany (w każdym razie laikom) ze współpracy autor badania 2016 z kolegą z Caltech Mike'em Brownem, który znalazł dowody na istnienie możliwej nieodkrytej „Planety dziewiątej” w ciemnych głębinach naszego zewnętrznego układu słonecznego.
Powiew przeszłości
Batygin natrafił na związek podczas nauczania klasy. Próbował wyjaśnić, w jaki sposób fale przemieszczają się przez szerokie dyski, które są podstawą architektury kosmicznej - na przykład takie dyski są zbudowane z gwiazd wokół supermasywnych czarnych dziur w centrum galaktyki i wykonane z pyłu i gruzu w nowonarodzonym układzie gwiezdnym. Dyski wyginają się i wypaczają w skomplikowany sposób, którego obecne modelowanie nie jest w stanie obsłużyć we wszystkich skalach czasowych. Naukowcy mogą obliczyć swoje działania w bardzo krótkim czasie, na przykład co dzieje się na kilku orbitach, a także to, jak będą się rozpraszać przez całe życie, ale nie w jaki sposób i dlaczego zmienią się w kolejności setek tysięcy lat.
„Może się zdarzyć, a tak naprawdę nie wiesz, dlaczego - to skomplikowany system, więc po prostu widzisz, jak rzeczy się rozwijają, widzisz jakąś dynamiczną ewolucję” - powiedział Batygin. „Jeśli nie masz tej monstrualnie skomplikowanej fizycznej intuicji, po prostu nie rozumiesz, co dzieje się w twojej symulacji.”
Aby śledzić rozwój dysku, Batygin wypożyczył sztuczkę z lat siedemdziesiątych XVII wieku: obliczając sposób, w jaki matematycy Joseph-Louis Lagrange i Pierre-Simon Laplace modelowali układ słoneczny jako serię gigantycznych pętli podążających wokół orbit planet. Chociaż model nie był pomocny w krótkich skalach czasowych kilku obwodów wokół Słońca, mógł dokładnie przedstawić wzajemne interakcje orbit w czasie.
Zamiast modelować orbity poszczególnych planet, Batygin zastosował serię cieńszych i cieńszych pierścieni do przedstawienia różnych kawałków dysku astrofizycznego, takich jak warstwy cebuli, z których każda jest związana z masą ciał orbitujących w tym obszarze. Oddziaływania grawitacyjne pierścieni ze sobą mogą modelować, w jaki sposób dysk może się wypaczać i zmieniać.
A kiedy system stał się zbyt skomplikowany, aby obliczyć ręcznie lub na komputerze, gdy dodawał więcej pierścieni, użył skrótu matematycznego, aby przekonwertować opis nieskończonej liczby nieskończenie cienkich pierścieni.
„Jest to po prostu szeroko znany wynik matematyczny stosowany w fizyce po lewej i prawej stronie” - powiedział Batygin. Ale jednak jakoś nikt nie skoczył do modelowania dysku astrofizycznego w ten sposób.
„Dla mnie naprawdę niezwykłe jest to, że nikt wcześniej nie zamazał [pierścieni] w kontinuum” - powiedział. „Z perspektywy czasu wydaje się to takie oczywiste i nie wiem, dlaczego wcześniej o tym nie pomyślałem”.
Kiedy Batygin przejrzał te obliczenia, odkrył, że powstające równanie jest zaskakująco znajome.
„Oczywiście oba są ze sobą powiązane, prawda? W mechanice kwantowej traktujesz cząstki jak fale” - powiedział. „Patrząc wstecz, jest to niemal intuicyjne, że powinieneś dostać coś w rodzaju równania Schrodingera, ale wtedy naprawdę byłem naprawdę zaskoczony”. Dodał, że równanie pojawiło się nieoczekiwanie - na przykład w opisach fal oceanicznych, a także w sposobie, w jaki światło porusza się przez niektóre media nieliniowe.
„Moje badania pokazują, że długoterminowe zachowanie dysków astrofizycznych, sposób, w jaki się wyginają i wypaczają, dołącza do tej grupy klasycznych kontekstów, które można zrozumieć w zasadniczo kwantowej strukturze” - powiedział Batygin.
Nowe wyniki podnoszą interesującą analogię między tymi dwiema sytuacjami: sposób, w jaki fale przemieszczają się przez dyski astrofizyczne, odbijając się od wewnętrznej i zewnętrznej krawędzi, jest równoważny z tym, jak pojedyncza cząstka kwantowa odbija się między dwiema ścianami, powiedział.
Znalezienie tej równoważności ma jedną interesującą konsekwencję: Batygin był w stanie pożyczyć część pracy wykonanej przez badaczy, którzy już dokładnie przestudiowali i przeszli przez tę sytuację kwantową, a następnie zinterpretować równanie w tym nowym kontekście, aby zrozumieć, w jaki sposób dyski reagują na zewnętrzne przyciągnięcia i perturbacje.
„Fizycy mają duże doświadczenie z równaniem Schrodingera; ma on teraz 100 lat”, powiedział Greg Laughlin, astrofizyk z Uniwersytetu Yale, który nie był zaangażowany w badanie, powiedział Space.com. „I wiele bardzo głębokich przemyśleń poświęcono zrozumieniu jego konsekwencji. I tak teraz cały gmach można zastosować do ewolucji dysków”.
„A dla kogoś takiego jak ja - który wprawdzie ma lepsze wyczucie tego, co robią dyski protogwiazdowe - choć niedoskonałe - daje to również możliwość pójścia w drugą stronę i być może uzyskania głębszego wglądu w systemy kwantowe za pomocą analogii dysków” dodany. „Myślę, że wzbudzi to wiele uwagi i zainteresowania, prawdopodobnie konsternacji. I ostatecznie uważam, że będzie to naprawdę interesujący rozwój”.
Ramy zrozumienia
Batygin oczekuje na zastosowanie równania do zrozumienia wielu różnych aspektów dysków astrofizycznych.
„To, co przedstawiłem w tym dokumencie, to ramy” - powiedział Batygin. „Zaatakowałem z nim jeden szczególny problem, jakim jest sztywność dysku - stopień, w jakim dysk może pozostać sztywny grawitacyjnie pod wpływem zakłóceń zewnętrznych. Obecnie rozważam szeroki zakres dodatkowych aplikacji”.
Jednym z przykładów jest ewolucja dysku gruzu, który ostatecznie ukształtował nasz Układ Słoneczny, powiedział Batygin. Inną jest dynamika pierścieni wokół planet pozasłonecznych. Trzeci to dysk gwiazd otaczających czarną dziurę w centrum Drogi Mlecznej, która sama w sobie jest bardzo wygięta.
Laughlin zauważył, że praca ta powinna być szczególnie pomocna w poprawie zrozumienia przez naukowców nowonarodzonych układów gwiezdnych, ponieważ trudniej jest je obserwować z daleka, a badacze obecnie nie mogą symulować ich rozwoju od początku do końca.
„Struktura matematyczna, którą złożył Konstantin, jest dobrym przykładem czegoś, co może naprawdę pomóc nam zrozumieć, jak zachowują się obiekty mające setki tysięcy orbit, takie jak dysk formujący planety” - powiedział.
Według Freda Adamsa, astrofizyka z University of Michigan, który nie był zaangażowany w badania, ta nowa praca jest najbardziej przydatna w systemach, w których znoszone są efekty grawitacyjne na dużą skalę. W przypadku układów o bardziej skomplikowanych wpływach grawitacyjnych, takich jak galaktyki o bardzo wyraźnych ramionach spiralnych, potrzebna będzie inna strategia modelowania. Jednak w przypadku tej klasy problemu jest to interesująca odmiana aproksymacji fal w dyskach astrofizycznych, powiedział.
„Badania w dowolnej dziedzinie, w tym dyski okołogwiazdowe, zawsze czerpią korzyści z opracowania i zastosowania nowych narzędzi” - powiedział Adams. „Ten artykuł przedstawia opracowanie nowego narzędzia analitycznego lub nowy zwrot w stosunku do starszych narzędzi, w zależności od tego, jak na to spojrzysz. Tak czy inaczej, jest to kolejny kawałek większej układanki”.
Ramy pozwolą naukowcom zrozumieć struktury, które astronomowie widzą na nocnym niebie w nowy sposób: Chociaż dyski te zmieniają się w znacznie dłuższych skalach czasowych niż ludzie mogą zaobserwować, równanie można zastosować, aby dowiedzieć się, w jaki sposób system osiągnął punkt, który widzimy dziś i jak może się to zmienić w przyszłości, powiedział Batygin. Wszystko opiera się na matematyce, która zazwyczaj opisuje niezwykle szybkie i ulotne interakcje.
„Istnieje intrygująca wzajemność między matematyką, która rządzi zachowaniem świata subatomowego, a matematyką, która rządzi zachowaniem [i] długoterminową ewolucją tych astronomicznych rzeczy, które rozwijają się w znacznie dłuższych ramach czasowych” - dodał. „Myślę, że jest to niezwykła i intrygująca konsekwencja”.
Nowa praca została szczegółowo opisana dzisiaj (5 marca) w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
