راه حل جدید راز قدیمی: چرا درون منظومه شمسی سریعتر نمی چرخد؟

کلید حل یک معمای دیرینه در مورد دیسک های گازی نازک که به دور ستاره های جوان می چرخند: حرکت تعداد کمی از ذرات باردار. این بر اساس یک مطالعه جدید از موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) است.

این دیسک‌های گازی دوار که به آنها دیسک‌های برافزایشی می‌گویند، ده‌ها میلیون سال عمر می‌کنند و مرحله اولیه تکامل منظومه شمسی هستند. آنها حاوی کسر کوچکی از جرم ستاره ای هستند که به دور آن می چرخند. حلقه ای شبیه زحل را به بزرگی منظومه شمسی تصور کنید . آنها را دیسک های برافزایشی می نامند زیرا گاز موجود در این دیسک ها به آرامی به سمت داخل به سمت ستاره می چرخد.

اخترفیزیکدانان مدت‌ها پیش دریافته‌اند که وقتی این مارپیچ به سمت داخل اتفاق می‌افتد، طبق قانون بقای تکانه زاویه‌ای، باید باعث شود که بخش داخلی شعاعی دیسک به‌طور فزاینده‌ای سریع‌تر بچرخد. برای درک ایده اصلی حفظ تکانه زاویه ای، به اسکیت بازان در حال چرخش فکر کنید: زمانی که بازوهای آنها دراز است، به آرامی می چرخند، اما همانطور که بازوهای خود را به داخل می کشند، سریعتر و سریعتر می چرخند.

قانون بقای تکانه زاویه ای بیان می کند که تکانه زاویه ای در یک سیستم ثابت می ماند و تکانه زاویه ای متناسب با سرعت ضربدر شعاع است. بنابراین، اگر شعاع اسکیت باز به دلیل اینکه بازوهای خود را به داخل کشیده اند کاهش یابد ، تنها راه ثابت نگه داشتن تکانه زاویه ای افزایش سرعت چرخش است.

حرکت مارپیچی به سمت داخل دیسک برافزایش شبیه به یک اسکیت باز است که بازوهای خود را به داخل می کشد – و به این ترتیب، قسمت داخلی دیسک برافزایش باید سریعتر بچرخد. مشاهدات نجومی در واقع نشان می دهد که قسمت داخلی یک قرص برافزایشی سریعتر می چرخد. با این حال، عجیب است که به همان سرعتی که توسط قانون بقای تکانه زاویه ای پیش بینی شده است، نمی چرخد.

دانشمندان بسیاری از توضیحات ممکن را برای این که چرا تکانه زاویه ای دیسک برافزایش در طول سال ها حفظ نمی شود، بررسی کرده اند. برخی فرض کردند که اصطکاک بین قسمت‌های چرخان داخلی و خارجی دیسک برافزایش ممکن است ناحیه داخلی را کند کند. با این حال، محاسبات نشان می‌دهد که دیسک‌های برافزایش اصطکاک داخلی بسیار کمی دارند. طبق فرضیه فعلی غالب، میدان‌های مغناطیسی باعث ایجاد پدیده‌ای به نام «ناپایداری مغناطیسی چرخشی» می‌شوند که منجر به تولید تلاطم مغناطیسی و گاز می‌شود و به طور موثر اصطکاک ایجاد می‌کند که سرعت چرخش گاز مارپیچی به سمت داخل را کاهش می‌دهد.

پل بلان، استاد فیزیک کاربردی در Caltech می گوید: «این به من مربوط می شد. «مردم همیشه می خواهند تلاطم را به خاطر پدیده هایی که درک نمی کنند سرزنش کنند. در حال حاضر یک صنعت کلبه بزرگ وجود دارد که استدلال می کند که تلاطم باعث خلاص شدن از شر حرکت زاویه ای در دیسک های برافزایشی می شود.

یک و نیم دهه پیش، بلان با تجزیه و تحلیل مسیر تک تک اتم‌ها، الکترون‌ها و یون‌ها در گازی که یک دیسک برافزایشی را تشکیل می‌دهد، شروع به بررسی این سوال کرد. هدف او این بود که تعیین کند تک تک ذرات در گاز در هنگام برخورد با یکدیگر چگونه رفتار می کنند و همچنین چگونه در بین برخوردها حرکت می کنند تا ببیند آیا افت تکانه زاویه ای را می توان بدون فراخوانی تلاطم توضیح داد.

همانطور که او طی سال‌ها در مجموعه‌ای از مقالات و سخنرانی‌ها توضیح داد که بر «اصول اول» – رفتار اساسی اجزای تشکیل‌دهنده دیسک‌های برافزایشی – متمرکز بودند – ذرات باردار (یعنی الکترون‌ها و یون‌ها) هم تحت تأثیر میدان‌های گرانشی و هم از میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند. ، در حالی که اتم های خنثی فقط تحت تأثیر گرانش قرار می گیرند. او مشکوک بود که این تفاوت کلیدی است.

یانگ ژانگ، دانشجوی فارغ التحصیل کلتک، پس از گذراندن دوره‌ای در یکی از این سخنرانی‌ها شرکت کرد که در آن نحوه شبیه‌سازی مولکول‌ها را در هنگام برخورد با یکدیگر برای تولید توزیع تصادفی سرعت در گازهای معمولی، مانند هوایی که ما تنفس می‌کنیم، ایجاد کرد. ژانگ می‌گوید: «پس از صحبت به پل نزدیک شدم، درباره آن بحث کردیم و در نهایت تصمیم گرفتیم که شبیه‌سازی‌ها ممکن است به ذرات باردار که با ذرات خنثی در میدان‌های مغناطیسی و گرانشی برخورد می‌کنند، گسترش یابد.

در نهایت، بلان و ژانگ یک مدل کامپیوتری از یک دیسک برافزایش مجازی در حال چرخش، فوق نازک ایجاد کردند. دیسک شبیه‌سازی شده حاوی حدود 40000 ذره خنثی و حدود 1000 ذره باردار بود که می‌توانستند با یکدیگر برخورد کنند و این مدل همچنین تأثیرات گرانش و میدان مغناطیسی را در نظر گرفت. بلان می‌گوید: «این مدل به اندازه کافی از جزئیات برای ثبت همه ویژگی‌های ضروری برخوردار بود، زیرا به اندازه‌ای بزرگ بود که مانند تریلیون‌ها تریلیون‌ها ذرات، الکترون‌ها و یون‌های خنثی که در مداری مغناطیسی به دور یک ستاره می‌چرخند رفتار کند. رشته.”

شبیه‌سازی رایانه‌ای نشان داد که برخورد بین اتم‌های خنثی و تعداد بسیار کمتری از ذرات باردار باعث می‌شود که یون‌های دارای بار مثبت یا کاتیون‌ها به سمت داخل مارپیچی به سمت مرکز دیسک حرکت کنند، در حالی که ذرات با بار منفی (الکترون‌ها) به سمت بیرون به سمت لبه حرکت می‌کنند. در همین حال، ذرات خنثی، تکانه زاویه‌ای خود را از دست می‌دهند و مانند یون‌های دارای بار مثبت، به سمت مرکز مارپیچ می‌شوند.

تجزیه و تحلیل دقیق فیزیک زیربنایی در سطح زیراتمی – به ویژه، برهمکنش بین ذرات باردار و میدان های مغناطیسی – نشان می دهد که تکانه زاویه ای به معنای کلاسیک حفظ نشده است، اگرچه چیزی به نام “تکانه زاویه ای متعارف” در واقع حفظ شده است.

تکانه زاویه ای متعارف مجموع تکانه زاویه ای معمولی به اضافه یک مقدار اضافی است که به بار روی ذره و میدان مغناطیسی بستگی دارد. برای ذرات خنثی، هیچ تفاوتی بین تکانه زاویه ای معمولی و تکانه زاویه ای متعارف وجود ندارد، بنابراین نگرانی در مورد تکانه زاویه ای متعارف بی جهت پیچیده است. اما برای ذرات باردار – کاتیون ها و الکترون ها – تکانه زاویه ای متعارف بسیار متفاوت از تکانه زاویه ای معمولی است زیرا کمیت مغناطیسی اضافی بسیار زیاد است.

از آنجایی که الکترون ها منفی و کاتیون ها مثبت هستند، حرکت یون ها به سمت داخل و حرکت بیرونی الکترون ها که در اثر برخورد ایجاد می شود، تکانه زاویه ای متعارف هر دو را افزایش می دهد. ذرات خنثی در نتیجه برخورد با ذرات باردار، تکانه زاویه ای خود را از دست می دهند و به سمت داخل حرکت می کنند، که افزایش تکانه زاویه ای متعارف ذرات باردار را متعادل می کند.

بلان می‌گوید که این یک تمایز کوچک است، اما تفاوت بزرگی در مقیاس کل منظومه شمسی ایجاد می‌کند، او استدلال می‌کند که این حسابداری ظریف قانون بقای تکانه زاویه‌ای متعارف را برای مجموع همه ذرات در کل دیسک برآورده می‌کند. برای توضیح از دست دادن حرکت زاویه ای ذرات خنثی، فقط یک در یک میلیارد ذره باید باردار شود.

علاوه بر این، بلان می‌گوید، حرکت کاتیون‌ها به داخل و حرکت الکترون‌ها به بیرون باعث می‌شود که دیسک به چیزی شبیه باتری غول‌پیکر با یک پایانه مثبت در نزدیکی مرکز دیسک و یک پایانه منفی در لبه دیسک تبدیل شود. چنین باتری جریان های الکتریکی را که از دیسک در بالا و پایین صفحه دیسک دور می شوند را هدایت می کند. این جریان‌ها به جت‌های اخترفیزیکی نیرو می‌دهند که از دیسک در هر دو جهت در امتداد محور دیسک پرتاب می‌شوند. در واقع، جت‌ها بیش از یک قرن است که توسط ستاره‌شناسان رصد شده‌اند و شناخته شده‌اند که با دیسک‌های برافزایشی مرتبط هستند، اگرچه نیروی پشت آن‌ها مدت‌ها یک راز بوده است.