Güneş sisteminin içi neden daha hızlı dönmüyor? Eski gizemin olası yeni çözümü var

Caltech tarafından yapılan yeni bir araştırmaya göre, az sayıda yüklü parçacığın hareketi, genç yıldızların etrafında dönen ince gaz diskleri hakkında uzun süredir devam eden bir gizemi çözebilir.

Toplama diskleri olarak adlandırılan bu özellikler, on milyonlarca yıl sürer ve güneş sistemi evriminin erken bir aşamasıdır. Etrafında döndükleri yıldızın kütlesinin küçük bir kısmını içerirler; Güneş sistemi kadar büyük Satürn benzeri bir halka hayal edin. Bu disklerdeki gazın yıldıza doğru yavaşça içe doğru spiral şeklinde hareket etmesi nedeniyle bunlara yığılma diskleri denir.

Bilim adamları, uzun zaman önce, bu içe doğru sarmal meydana geldiğinde, açısal momentumun korunumu yasasına göre, diskin radyal olarak iç kısmının daha hızlı dönmesine neden olması gerektiğini fark ettiler. Açısal momentumun korunumunu anlamak için, dönen artistik patinajcıları düşünün: kolları uzandığında yavaş dönerler, ama kollarını içeri çekerken daha hızlı dönerler.

Açısal momentum, hız çarpı yarıçap ile orantılıdır ve açısal momentumun korunumu yasası, bir sistemdeki açısal momentumun sabit kaldığını belirtir. Yani, eğer patenci kollarını içeri çektikleri için yarıçapı azalırsa, açısal momentumu sabit tutmanın tek yolu dönüş hızını arttırmaktır.

Toplama diskinin içe doğru spiral hareketi, kollarını içeri çeken bir patenciye benzer ve bu nedenle, birikim diskinin iç kısmı daha hızlı dönmelidir. Gerçekten de astronomik gözlemler, bir yığılma diskinin iç kısmının daha hızlı döndüğünü göstermektedir. İlginçtir ki, açısal momentumun korunumu yasasının öngördüğü kadar hızlı dönmüyor.

Yıllar boyunca araştırmacılar, yığılma diski açısal momentumunun neden korunmadığına dair birçok olası açıklamayı araştırdı. Toplanma diskinin iç ve dış dönen parçaları arasındaki bazı düşünce sürtünmesi, iç bölgeyi yavaşlatabilir. Bununla birlikte, hesaplamalar, yığılma disklerinin ihmal edilebilir iç sürtünmeye sahip olduğunu göstermektedir. Önde gelen akım teorisi, manyetik alanların, gaz ve manyetik türbülans oluşturan “manyeto-dönüşümsel kararsızlık” olarak adlandırılan şeyi yaratmasıdır; bu, içe doğru spiralleşen gazın dönme hızını yavaşlatan etkili bir şekilde sürtünme oluşturur.

Uygulamalı fizik profesörü Paul Bellan, “Bu beni ilgilendiriyor” diyor. “İnsanlar anlamadıkları fenomenler için her zaman türbülansı suçlamak isterler. Şu anda türbülansın yığılma disklerindeki açısal momentumdan kurtulmayı açıkladığını savunan büyük bir kulübe endüstrisi var.”

On beş yıl önce Bellan, bir birikim diski oluşturan gazdaki tek tek atomların, elektronların ve iyonların yörüngelerini analiz ederek soruyu araştırmaya başladı. Amacı, gazdaki bireysel parçacıkların birbirleriyle çarpıştıklarında nasıl davrandıklarını ve ayrıca çarpışmalar arasında nasıl hareket ettiklerini belirlemek, açısal momentum kaybının türbülansa neden olmadan açıklanıp açıklanamayacağını görmekti.

Yıllar boyunca “ilk ilkeler”e -birikim disklerini oluşturan parçaların temel davranışına- odaklanan bir dizi makale ve konferansta açıkladığı gibi, yüklü parçacıklar (yani elektronlar ve iyonlar) hem yerçekiminden hem de manyetik alanlardan etkilenir. , nötr atomlar ise sadece yerçekiminden etkilenir. Bu farkın anahtar olduğundan şüpheleniyordu.

Caltech yüksek lisans öğrencisi Yang Zhang, soluduğumuz hava gibi sıradan gazlardaki hızların rastgele dağılımını üretmek için birbirleriyle çarpışan moleküllerin simülasyonlarının nasıl oluşturulacağını öğrendiği bir kursu aldıktan sonra bu konuşmalardan birine katıldı. Zhang, “Konuşmadan sonra Paul’e yaklaştım, bunu tartıştık ve nihayetinde simülasyonların manyetik ve yerçekimi alanlarında nötr parçacıklarla çarpışan yüklü parçacıklara genişletilebileceğine karar verdim” diyor.

Sonunda, Bellan ve Zhang dönen, süper ince, sanal bir toplama diskinin bilgisayar modelini yarattılar. Simüle edilen disk, birbiriyle çarpışabilecek yaklaşık 40.000 nötr ve yaklaşık 1.000 yüklü parçacık içeriyordu ve model, hem yerçekiminin hem de manyetik alanın etkilerini de hesaba kattı. Bellan, “Bu model, tüm temel özellikleri yakalamak için doğru miktarda ayrıntıya sahipti,” diyor, “çünkü manyetik bir ortamda bir yıldızın yörüngesinde dönen trilyonlarca çarpışan nötr parçacık, elektron ve iyon üzerine trilyonlarca gibi davranacak kadar büyüktü. alan.”

Bilgisayar simülasyonu, nötr atomlar ve çok daha az sayıda yüklü parçacık arasındaki çarpışmaların, pozitif yüklü iyonların veya katyonların diskin merkezine doğru içe doğru, negatif yüklü parçacıkların (elektronlar) kenara doğru dışa doğru spirallenmesine neden olacağını gösterdi. Bu arada nötr parçacıklar açısal momentumlarını kaybederler ve pozitif yüklü iyonlar gibi merkeze doğru spiraller çizerler.

Atom altı seviyedeki temel fiziğin dikkatli bir analizi – özellikle yüklü parçacıklar ve manyetik alanlar arasındaki etkileşim – açısal momentumun klasik anlamda korunmadığını, ancak “kanonik açısal momentum” denilen bir şeyin gerçekten korunduğunu gösterir.

Kanonik açısal momentum, orijinal sıradan açısal momentum artı bir parçacık ve manyetik alan üzerindeki yüke bağlı olan ek bir miktarın toplamıdır. Nötr parçacıklar için sıradan açısal momentum ile kurallı açısal momentum arasında bir fark yoktur, bu nedenle kurallı açısal momentum hakkında endişelenmek gereksiz yere karmaşıktır. Ancak yüklü parçacıklar -katyonlar ve elektronlar- için kanonik açısal momentum, ek manyetik miktar çok büyük olduğu için olağan açısal momentumdan çok farklıdır.

Elektronlar negatif ve katyonlar pozitif olduğundan, çarpışmaların neden olduğu iyonların içe ve elektronların dışa doğru hareketi, her ikisinin de kanonik açısal momentumunu arttırır. Nötr parçacıklar, yüklü parçacıklarla çarpışmaların bir sonucu olarak açısal momentumunu kaybeder ve içe doğru hareket eder, bu da yüklü parçacık kanonik açısal momentumundaki artışı dengeler.

Bu küçük bir ayrımdır, ancak güneş sistemi çapında bir ölçekte büyük bir fark yaratır, diyor Bellan, bu ince hesaplamanın tüm diskteki tüm parçacıkların toplamı için kanonik açısal momentumun korunumu yasasını karşıladığını iddia ediyor; Nötr parçacıkların gözlemlenen açısal momentum kaybını açıklamak için milyarda bir parçacıktan yalnızca birinin yüklenmesi gerekir.

Dahası, Bellan, katyonların içe doğru hareketinin ve elektronların dışa doğru hareketinin, diskin, disk merkezine yakın bir pozitif terminali ve disk kenarında bir negatif terminali olan devasa bir pil gibi bir şeye dönüşmesine neden olduğunu söylüyor. Böyle bir pil, disk düzleminin hem üstünde hem de altında diskten uzağa akan elektrik akımlarını harekete geçirecektir. Bu akımlar, disk ekseni boyunca her iki yönde diskten fışkıran astrofiziksel jetlere güç sağlayacaktır. Gerçekten de jetler, bir yüzyıldan fazla bir süredir gökbilimciler tarafından gözlemleniyor ve arkalarındaki kuvvet uzun süredir bir gizem olmasına rağmen, toplanma diskleriyle ilişkili oldukları biliniyor.

Bellan ve Yang’ın makalesi yayınlandı. Astrofizik Dergisi 17 Mayıs’ta.