Hvorfor roterer indersiden af ​​solsystemet ikke hurtigere? Gammelt mysterium har mulig ny løsning

Bevægelsen af ​​et lille antal ladede partikler kan løse et mangeårigt mysterium om tynde gasskiver, der roterer omkring unge stjerner, ifølge en ny undersøgelse fra Caltech.

Disse funktioner, kaldet tilvækstskiver, varer titusinder af år og er en tidlig fase af solsystemets udvikling. De indeholder en lille brøkdel af stjernens masse, som de hvirvler rundt om; forestil dig en Saturn-lignende ring så stor som solsystemet. De kaldes tilvækstskiver, fordi gassen i disse skiver spiraler langsomt indad mod stjernen.

Forskere indså for længe siden, at når denne indadgående spiraldannelse opstår, skulle det få den radialt indre del af skiven til at spinde hurtigere, ifølge loven om bevarelse af vinkelmomentum. For at forstå bevarelse af vinkelmomentum, tænk på roterende kunstskøjteløbere:når deres arme er strakte, spinner de langsomt, men når de trækker armene ind, spinder de hurtigere.

Vinkelmomentum er proportional med hastighed gange radius, og loven om vinkelmomentbevarelse siger, at vinkelmomentet i et system forbliver konstant. Så hvis skaterens radius falder, fordi de har trukket deres arme ind, så er den eneste måde at holde vinkelmomentet konstant på at øge spinhastigheden.

Accretionsskivens indadgående spiralbevægelse er beslægtet med en skater, der trækker deres arme ind - og som sådan burde den indvendige del af accretionskiven dreje hurtigere. Faktisk viser astronomiske observationer, at den indre del af en tilvækstskive spinder hurtigere. Mærkeligt nok drejer den dog ikke så hurtigt som forudsagt af loven om bevarelse af vinkelmomentum.

I årenes løb har forskere undersøgt mange mulige forklaringer på, hvorfor accretion disk vinkelmomentum ikke bevares. Nogle troede, at friktion mellem de indre og ydre roterende dele af tilvækstskiven kunne bremse det indre område. Imidlertid viser beregninger, at accretion disks har ubetydelig intern friktion. Den førende nuværende teori er, at magnetiske felter skaber det, der kaldes en "magnetorotationel ustabilitet", der genererer gas og magnetisk turbulens - effektivt danner friktion, der sænker rotationshastigheden af ​​indadgående spiralgas.

"Det bekymrede mig," siger Paul Bellan, professor i anvendt fysik. "Folk vil altid give turbulens skylden for fænomener, de ikke forstår. Der er en stor sommerhusindustri lige nu, der hævder, at turbulens er årsag til at slippe af med vinkelmomentum i accretion diske."

For halvandet årti siden begyndte Bellan at undersøge spørgsmålet ved at analysere banerne for individuelle atomer, elektroner og ioner i gassen, der udgør en tilvækstskive. Hans mål var at bestemme, hvordan de enkelte partikler i gassen opfører sig, når de kolliderer med hinanden, samt hvordan de bevæger sig mellem kollisioner, for at se, om vinkelmomenttab kunne forklares uden at fremkalde turbulens.

Som han forklarede i årenes løb i en række artikler og forelæsninger, der var fokuseret på "første principper" - den grundlæggende opførsel af de bestanddele af tilvækstskiver - bliver ladede partikler (dvs. elektroner og ioner) påvirket af både tyngdekraft og magnetiske felter , hvorimod neutrale atomer kun påvirkes af tyngdekraften. Denne forskel, formoder han, var nøglen.

Caltech-kandidatstuderende Yang Zhang deltog i en af ​​disse foredrag efter at have taget et kursus, hvor han lærte at skabe simuleringer af molekyler, når de kolliderer med hinanden for at producere den tilfældige fordeling af hastigheder i almindelige gasser, såsom luften, vi indånder. "Jeg henvendte mig til Paul efter foredraget, vi diskuterede det og besluttede i sidste ende, at simuleringerne kunne udvides til ladede partikler, der kolliderer med neutrale partikler i magnetiske felter og gravitationsfelter," siger Zhang.

I sidste ende skabte Bellan og Zhang en computermodel af en roterende, supertynd, virtuel accretion-disk. Den simulerede disk indeholdt omkring 40.000 neutrale og omkring 1.000 ladede partikler, der kunne kollidere med hinanden, og modellen tog også hensyn til virkningerne af både tyngdekraften og et magnetfelt. "Denne model havde den helt rigtige mængde detaljer til at fange alle de væsentlige træk," siger Bellan, "fordi den var stor nok til at opføre sig ligesom trillioner på trillioner af kolliderende neutrale partikler, elektroner og ioner, der kredsede om en stjerne i en magnetisk felt."

Computersimuleringen viste, at kollisioner mellem neutrale atomer og et meget mindre antal ladede partikler ville få positivt ladede ioner eller kationer til at spiral indad mod midten af ​​disken, mens negativt ladede partikler (elektroner) spiraler udad mod kanten. Neutrale partikler mister i mellemtiden vinkelmomentum og spiralerer ligesom de positivt ladede ioner indad mod midten.

En omhyggelig analyse af den underliggende fysik på det subatomære niveau – især interaktionen mellem ladede partikler og magnetiske felter – viser, at vinkelmomentum ikke er bevaret i klassisk forstand, selvom noget, der kaldes "kanonisk vinkelmoment" faktisk er bevaret.

Kanonisk vinkelmomentum er summen af ​​det oprindelige ordinære vinkelmoment plus en yderligere mængde, der afhænger af ladningen på en partikel og magnetfeltet. For neutrale partikler er der ingen forskel mellem almindelig vinkelmomentum og kanonisk vinkelmomentum, så det er unødvendigt kompliceret at bekymre sig om kanonisk vinkelmoment. Men for ladede partikler – kationer og elektroner – er den kanoniske vinkelmomentum meget forskellig fra den almindelige vinkelmomentum, fordi den yderligere magnetiske mængde er meget stor.

Fordi elektroner er negative, og kationer er positive, øger den indadgående bevægelse af ioner og udadgående bevægelse af elektroner, som er forårsaget af kollisioner, begges kanoniske vinkelmomentum. Neutrale partikler mister vinkelmomentum som følge af kollisioner med de ladede partikler og bevæger sig indad, hvilket udligner stigningen i den ladede partikels kanoniske vinkelmomentum.

Det er en lille forskel, men gør en enorm forskel på en solsystem-dækkende skala, siger Bellan, som hævder, at denne subtile opgørelse opfylder loven om bevarelse af kanonisk vinkelmomentum for summen af ​​alle partikler i hele skiven; kun omkring én ud af en milliard partikler skal oplades for at forklare det observerede tab af vinkelmoment for de neutrale partikler.

Ydermere, siger Bellan, resulterer den indadgående bevægelse af kationer og udadgående bevægelse af elektroner i, at disken bliver noget som et gigantisk batteri med en positiv terminal nær diskens centrum og en negativ terminal ved diskens kant. Et sådant batteri ville drive elektriske strømme, der flyder væk fra skiven både over og under skivens plan. Disse strømme ville drive astrofysiske jetfly, der skyder ud fra skiven i begge retninger langs skivens akse. Faktisk er jetfly blevet observeret af astronomer i over et århundrede og er kendt for at være forbundet med accretion disks, selvom kraften bag dem længe har været et mysterium.

Bellan og Yangs papir blev offentliggjort i The Astrophysical Journal den 17. maj. + Udforsk yderligere

Nyt eksperiment validerer vidt spekulerede mekanismer bag dannelsen af ​​stjerner