Noile cercetări leagă distrugerea discurilor la scară largă de material din univers cu ecuația Schrodinger, care descrie comportamentul mecanic cuantic al obiectelor atomice și subatomice.
(Imagine: © James Tuttle Keane / Institutul Tehnologic din California)
Discurile enorme de stele sau resturi pot funcționa sub aceleași reguli ca particulele subatomice, schimbându-se pe baza ecuației Schrodinger, pe care fizicienii o folosesc pentru modelarea sistemelor cuantice-mecanice.
Vizualizarea structurilor spațiale cu această ecuație poate oferi noi perspective asupra modului în care evoluează galaxiile, precum și dezvălui indicii despre mecanica sistemului solar timpuriu și acțiunea inelelor care înconjoară planetele îndepărtate, arată un nou studiu.
Cercetătorul Institutului de Tehnologie din California, Konstantin Batygin, autorul noului studiu, nu se aștepta să găsească această ecuație specială atunci când studiază acele discuri astrofizice. "La vremea respectivă, eram complet plin", a spus Batygin pentru Space.com. "Mă așteptam să apară ecuația valurilor obișnuite, ceva precum unda unei șiruri sau ceva de genul acesta. Și în schimb, obțin această ecuație, care este într-adevăr piatra de temelie a mecanicii cuantice." [Discul „Flying Saucer” care construiește planeta este surprinzător de cool (video)]
Folosind ecuația Schrodinger, fizicienii pot interpreta interacțiunile sistemelor pe scări atomice și subatomice în termeni de unde, precum și particule - un concept cheie în mecanica cuantică care descrie comportamentul uneori neintuitiv al acestor sisteme. Se pare că deformarea discurilor astrofizice poate acționa ca și particule.
"În retrospectivă, când mă uit la această problemă acum, sunt surprins de cum nu am ghicit doar că asta va fi", a spus Batygin, care este cel mai cunoscut (de altfel, pentru oameni laici). realizarea unui studiu din 2016 cu colegul său cercetător Caltech, Mike Brown, care a găsit dovezi pentru o posibilă „Planet Nine” nedescoperită în adâncurile întunecate ale sistemului nostru solar exterior.
Amintiri din trecut
Batygin a dat legătura când a predat o clasă. Încerca să explice modul în care valurile călătoresc prin discurile largi care sunt un element de bază al arhitecturii spațiale - de exemplu, astfel de discuri sunt construite din stele în jurul unor găuri negre supermasive din centrul unei galaxii și sunt făcute din praf și resturi într-un sistem de stele nou-născut. Discurile se îndoaie și se deformează într-un mod complex pe care modelările actuale nu le pot trata pe toate perioadele de timp. Oamenii de știință își pot calcula acțiunile pe perioade de timp foarte scurte, cum ar fi ce se întâmplă pe câteva orbite, precum și modul în care se vor dispersa pe întreaga viață, dar nu cum și de ce se vor schimba de ordinul a sute de mii de ani.
"Lucrurile s-ar putea întâmpla, și nu știi cu adevărat de ce - este un sistem complicat, așa că vedeți lucrurile desfășurate, vedeți un fel de evoluție dinamică", a spus Batygin. „Dacă nu aveți această intuiție fizică monstruos complicată, pur și simplu nu înțelegeți ce se întâmplă în simularea voastră”.
Pentru a urmări dezvoltarea unui disc, Batygin a împrumutat un truc din anii 1770: calculând modul în care matematicienii Joseph-Louis Lagrange și Pierre-Simon Laplace au modelat sistemul solar ca o serie de bucle uriașe urmând orbitele planetelor. Deși modelul nu a fost util pe perioade scurte ale câtorva circuite în jurul soarelui, acesta a putut descrie cu exactitate interacțiunile orbitelor între ele.
În loc să modeleze orbitele planetei individuale, Batygin a folosit o serie de inele mai subțiri și mai subțiri pentru a reprezenta diferite piese ale discului astrofizic, ca straturi de ceapă, fiecare legate de masa corpurilor care orbitează în acea regiune. Interacțiunile gravitaționale ale inelelor. unul cu altul ar putea modela modul în care discul s-ar deforma și se va schimba.
Și atunci când sistemul s-a complicat prea mult pentru a calcula manual sau pe computer, deoarece a adăugat mai multe inele, a folosit o scurtătură matematică pentru a converti la descrierea unui număr infinit de inele infinit de subțiri.
"Acesta este doar un rezultat matematic cunoscut pe scară largă, care este folosit în fizică la stânga și la dreapta", a spus Batygin. Dar totuși, cumva, nimeni nu a făcut saltul pentru a modela un disc astrofizic în acest fel.
"Ceea ce este cu adevărat remarcabil pentru mine este faptul că nimeni nu a estompat [inelele] într-un continuu până acum", a spus el. "Pare atât de evident în retrospectivă și nu știu de ce nu m-am gândit la asta mai devreme."
Când Batygin a trecut prin aceste calcule, a găsit în mod surprinzător familiar ecuația emergentă.
"Desigur, cele două sunt legate, nu? În mecanica cuantică, tratați particulele ca unde", a spus el. "În retrospectivă, este aproape intuitiv că ar trebui să obțineți ceva ca ecuația Schrodinger, dar, la vremea respectivă, am fost într-adevăr surprins". Ecuația a apărut în mod neașteptat înainte, a adăugat el - în descrieri ale valurilor oceanice, de exemplu, precum și modul în care lumina se deplasează prin anumite medii neliniare.
"Ceea ce demonstrează cercetarea mea este că comportamentul pe termen lung al discurilor astrofizice, modul în care se îndoaie și se deformează, se alătură acestui grup de contexte clasice care pot fi înțelese într-un cadru esențial cuantic", a spus Batygin.
Noile rezultate ridică o analogie interesantă între cele două situații: Modul în care valurile se deplasează prin discurile astrofizice, care se ridică în afara marginilor interioare și exterioare, este echivalent cu modul în care o singură particulă cuantică răsună înainte și înapoi între doi pereți, a spus el.
Găsirea acestei echivalențe are o consecință interesantă: Batygin a fost în măsură să împrumute o parte din lucrările efectuate de cercetătorii care au studiat și lucrat deja prin această situație cuantică în mod extensiv, apoi să interpreteze ecuația în acest nou context pentru a înțelege modul în care discurile răspund la trageri externe și perturbatii.
"Fizicienii au foarte multă experiență cu ecuația Schrodinger; apare acum 100 de ani", a declarat pentru Space.com Greg Laughlin, astrofizician la Universitatea Yale care nu a fost implicat în studiu. „Și o mulțime de gânduri foarte profunde au intrat în înțelegerea ramificațiilor sale. Și astfel edificiul întreg poate fi acum aplicat la evoluția discurilor”.
"Și pentru cineva ca mine - care are, într-adevăr, un sens mai bun, deși imperfect, a ceea ce fac discurile protostelare - acest lucru oferă, de asemenea, posibilitatea de a merge altfel și poate obține o perspectivă mai profundă asupra sistemelor cuantice, folosind analogia discului", adăugat. "Cred că va stârni multă atenție și interes, probabil consternare. Și în final cred că va fi o dezvoltare cu adevărat interesantă."
Un cadru de înțelegere
Batygin așteaptă cu nerăbdare să aplice ecuația pentru a înțelege multe fațete diferite ale discurilor astrofizice.
"Ce am prezentat în această lucrare este un cadru", a spus Batygin. "Am atacat o problemă deosebită, care este problema rigidității discului - măsura în care discul poate rămâne rigid gravitațional sub perturbări externe. Există o gamă largă de aplicații suplimentare pe care le analizez în acest moment."
Un exemplu este evoluția discului de resturi care a format în cele din urmă sistemul nostru solar, a spus Batygin. O alta este dinamica inelelor din jurul planetelor extrasolare. Și o a treia este discul de stele care înconjoară gaura neagră din centrul Căii Lactee, care în sine este extrem de îndoit.
Laughlin a menționat că lucrările ar trebui să fie deosebit de utile în îmbunătățirea înțelegerii cercetătorilor asupra sistemelor de stele nou-născuți, deoarece sunt mai greu de observat de departe, iar cercetătorii nu pot simula în prezent dezvoltarea lor de la început la sfârșit.
„Cadrul matematic pe care Konstantin l-a pus laolaltă este un bun exemplu de ceva care ne-ar putea ajuta cu adevărat să înțelegem cum se comportă obiectele care au sute de mii de orbite, precum un disc format din planete”, a spus el.
Potrivit lui Fred Adams, astrofizician la Universitatea din Michigan, care nu a fost implicat în studiu, această nouă lucrare este cea mai utilă pentru sistemele în care efectele de gravitație pe scară largă se anulează. Pentru sistemele cu influențe gravitaționale mai complicate, cum ar fi galaxiile cu brațe spiralate foarte distincte, va fi nevoie de o altă strategie de modelare. Dar, pentru această clasă de probleme, este o variantă interesantă a aproximării undelor în discurile astrofizice, a spus el.
„Cercetările în orice domeniu, inclusiv discurile circumstanțiale, beneficiază întotdeauna de dezvoltarea și utilizarea de noi instrumente”, a spus Adams. „Această lucrare reprezintă dezvoltarea unui nou instrument analitic sau o nouă pătrundere asupra instrumentelor mai vechi, în funcție de modul în care îl priviți. În orice caz, este o altă piesă a puzzle-ului mai mare."
Cadrul va permite cercetătorilor să înțeleagă structurile pe care astronomii le văd pe cerul nopții într-un mod nou: în timp ce aceste discuri se schimbă pe perioade de timp mult mai lungi decât pot observa oamenii, ecuația poate fi aplicată pentru a descoperi modul în care un sistem a ajuns la punctul pe care îl vedem. azi și cum s-ar putea schimba în viitor, a spus Batygin. Și totul se bazează pe matematică, care de obicei descrie interacțiuni incredibil de rapide și trecătoare.
"Există această reciprocitate intrigantă între matematica care guvernează comportamentul lumii subatomice și matematica care guvernează comportamentul [și] evoluția pe termen lung a acestor lucruri astronomice care se desfășoară pe perioade de timp mult mai lungi", a adăugat el. „Cred că aceasta este o consecință remarcabilă și intrigantă”.
Noua lucrare a fost detaliată astăzi (5 martie) în jurnalul lunar Notices of the Royal Astronomical Society.
