Kredit:Shutterstock
Rörelsen av ett litet antal laddade partiklar kan lösa ett långvarigt mysterium om tunna gasskivor som roterar runt unga stjärnor, enligt en ny studie från Caltech.
Dessa egenskaper, som kallas ackretionsskivor, varar tiotals miljoner år och är en tidig fas av solsystemets evolution. De innehåller en liten del av stjärnans massa som de virvlar runt; föreställ dig en Saturnus-liknande ring lika stor som solsystemet. De kallas ansamlingsskivor eftersom gasen i dessa skivor sakta spiralerar inåt mot stjärnan.
Forskare insåg för länge sedan att när denna inåtgående spiral uppstår, borde den få den radiellt inre delen av skivan att snurra snabbare, enligt lagen om bevarande av rörelsemängd. För att förstå bevarandet av vinkelmomentum, tänk på snurrande konståkare:när deras armar är utsträckta snurrar de långsamt, men när de drar in armarna snurrar de snabbare.
Vinkelmomentum är proportionellt mot hastighet gånger radie, och lagen om rörelsemängdsbevarande säger att rörelsemängden i ett system förblir konstant. Så om skridskoåkarens radie minskar för att de har dragit in sina armar, är det enda sättet att hålla rörelsemängden konstant att öka spinnhastigheten.
Accretionsskivans inåtgående spiralrörelse liknar en skridskoåkare som drar in sina armar - och som sådan bör den inre delen av accretionskivan snurra snabbare. Faktum är att astronomiska observationer visar att den inre delen av en ackretionsskiva snurrar snabbare. Märkligt nog snurrar den inte så snabbt som förutspåtts av lagen om bevarande av rörelsemängd.
Under årens lopp har forskare undersökt många möjliga förklaringar till varför accretion disk vinkelmomentum inte bevaras. Vissa trodde att friktion mellan de inre och yttre roterande delarna av accretionskivan kunde bromsa det inre området. Men beräkningar visar att accretion diskar har försumbar intern friktion. Den ledande nuvarande teorin är att magnetfält skapar vad som kallas en "magnetrotationsinstabilitet" som genererar gas och magnetisk turbulens – effektivt bildar friktion som saktar ner rotationshastigheten för gas som rör sig inåt i spiralform.
"Det berörde mig", säger Paul Bellan, professor i tillämpad fysik. "Människor vill alltid skylla turbulens för fenomen de inte förstår. Det finns en stor stugindustri just nu som hävdar att turbulens står för att bli av med vinkelmomentum i ackretionsskivor."
För ett och ett halvt decennium sedan började Bellan undersöka frågan genom att analysera banorna för enskilda atomer, elektroner och joner i gasen som utgör en ackretionsskiva. Hans mål var att fastställa hur de enskilda partiklarna i gasen beter sig när de kolliderar med varandra, samt hur de rör sig mellan kollisioner, för att se om rörelsemängdsförlusten kan förklaras utan att framkalla turbulens.
Som han förklarade under årens lopp i en serie artiklar och föreläsningar som fokuserade på "första principer" - det grundläggande beteendet hos de beståndsdelar av accretionsskivor - laddade partiklar (d.v.s. elektroner och joner) påverkas av både gravitation och magnetfält , medan neutrala atomer endast påverkas av gravitationen. Denna skillnad, misstänkte han, var nyckeln.
Caltech-studenten Yang Zhang deltog i ett av dessa föredrag efter att ha gått en kurs där han lärde sig att skapa simuleringar av molekyler när de kolliderar med varandra för att producera den slumpmässiga fördelningen av hastigheter i vanliga gaser, till exempel luften vi andas. "Jag kontaktade Paul efter föredraget, vi diskuterade det och beslutade slutligen att simuleringarna kunde utvidgas till laddade partiklar som kolliderar med neutrala partiklar i magnetiska och gravitationsfält", säger Zhang.
Till slut skapade Bellan och Zhang en datormodell av en snurrande, supertunn, virtuell ackretionsskiva. Den simulerade skivan innehöll cirka 40 000 neutrala och cirka 1 000 laddade partiklar som kunde kollidera med varandra, och modellen tog även hänsyn till effekterna av både gravitation och ett magnetfält. "Den här modellen hade precis rätt mängd detaljer för att fånga alla väsentliga egenskaper", säger Bellan, "eftersom den var tillräckligt stor för att bete sig precis som biljoner på biljoner kolliderande neutrala partiklar, elektroner och joner som kretsar runt en stjärna i en magnetisk fält."
Datorsimuleringen visade kollisioner mellan neutrala atomer och ett mycket mindre antal laddade partiklar skulle få positivt laddade joner, eller katjoner, att spiralera inåt mot skivans mitt, medan negativt laddade partiklar (elektroner) spiralerar utåt mot kanten. Neutrala partiklar tappar samtidigt rörelsemängd och, liksom de positivt laddade jonerna, spiralerar de inåt mot mitten.
En noggrann analys av den underliggande fysiken på subatomär nivå – i synnerhet interaktionen mellan laddade partiklar och magnetfält – visar att rörelsemängd inte bevaras i klassisk mening, även om något som kallas "kanoniskt rörelsemängd" verkligen är bevarat.
Kanoniskt rörelsemängd är summan av ursprungligt ordinärt rörelsemängd plus en extra kvantitet som beror på laddningen på en partikel och magnetfältet. För neutrala partiklar är det ingen skillnad mellan vanlig rörelsemängd och kanonisk rörelsemängd, så att oroa sig för kanonisk rörelsemängd är onödigt komplicerat. Men för laddade partiklar – katjoner och elektroner – skiljer sig den kanoniska rörelsemängden mycket från den vanliga rörelsemängden eftersom den extra magnetiska kvantiteten är mycket stor.
Eftersom elektroner är negativa och katjoner är positiva, ökar jonernas inåtgående rörelse och elektronernas utåtgående rörelse, som orsakas av kollisioner, bådas kanoniska rörelsemängd. Neutrala partiklar förlorar rörelsemängd som ett resultat av kollisioner med de laddade partiklarna och rör sig inåt, vilket balanserar ut ökningen av den laddade partikelns kanoniska rörelsemängd.
Det är en liten skillnad, men gör en enorm skillnad på en solsystemomfattande skala, säger Bellan, som hävdar att denna subtila redovisning uppfyller lagen om bevarande av kanoniskt rörelsemängd för summan av alla partiklar i hela skivan; endast ungefär en av en miljard partiklar behöver laddas för att förklara den observerade förlusten av rörelsemängd för de neutrala partiklarna.
Dessutom, säger Bellan, leder katjonernas inåtgående rörelse och elektronernas rörelse utåt i att skivan blir något som ett gigantiskt batteri med en positiv pol nära skivans mitt och en negativ pol vid skivkanten. Ett sådant batteri skulle driva elektriska strömmar som flyter bort från skivan både ovanför och under skivans plan. Dessa strömmar skulle driva astrofysiska jetstrålar som skjuter ut från skivan i båda riktningarna längs skivans axel. Ja, jetstrålar har observerats av astronomer i över ett sekel och är kända för att vara associerade med ackretionsskivor, även om kraften bakom dem länge har varit ett mysterium.
Bellan och Yangs artikel publicerades i The Astrophysical Journal den 17 maj. + Utforska vidare
