Ny forskning binder snoet af store skiver af materiale i universet med Schrodinger-ligningen, der beskriver den kvantemekaniske opførsel af atom- og subatomære objekter.
(Billede: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Enorme skiver af stjerner eller snavs kan fungere under de samme regler som subatomære partikler og ændre sig baseret på Schrodinger-ligningen, som fysikere bruger til at modellere kvantemekaniske systemer.
Se rumstrukturer med denne ligning kan give ny indsigt i, hvordan galakser udvikler sig, samt afsløre ledetråde om mekanikken i det tidlige solsystem og handlingen af ringe, der cirkler fjerne planeter, rapporterer en ny undersøgelse.
California Institute of Technology forsker Konstantin Batygin, forfatter af den nye undersøgelse, havde ikke forventet at finde den særlige ligning, når de studerede disse astrofysiske diske. ”På det tidspunkt var jeg helt floppet,” fortalte Batygin til Space.com. "Jeg forventede, at den regelmæssige bølgeforligning skulle vises, noget som bølgen i en streng eller noget i den retning. Og i stedet får jeg denne ligning, som virkelig er hjørnestenen i kvantemekanikken." [Planet-Building 'Flying Saucer' -disk er overraskende sej (Video)]
Ved hjælp af Schrodinger-ligningen kan fysikere fortolke interaktionerne mellem systemer på atom- og subatomære skalaer såvel som bølger som partikler - et nøglekoncept i kvantemekanik, der beskriver disse systemers til tider uintuitive opførsel. Det viser sig, at deformering af astrofysiske diske også kan fungere som partikler.
"I eftertid, når jeg ser på problemet nu, er jeg overrasket over, hvordan jeg ikke bare gætte på, at det var, hvad det skulle være," sagde Batygin, som måske er bedst kendt (til legfolk alligevel) for co- forfatter til en undersøgelse fra 2016 med kollega Caltech-forsker Mike Brown, der fandt bevis for en mulig uopdaget "Planet Nine" i de mørke dybder i vores ydre solsystem.
Sus fra fortiden
Batygin kom på tværs af forbindelsen, da han underviste i en klasse. Han forsøgte at forklare, hvordan bølger bevæger sig gennem de brede diske, der er en hæfteklamme i rumarkitektur - for eksempel er sådanne diske bygget af stjerner omkring supermassive sorte huller i en galakks centrum og lavet af støv og snavs i et nyfødt stjernesystem. Diskene bøjes og fordrejes på en kompleks måde, som nuværende modellering ikke kan håndtere på alle tidsskalaer. Forskere kan beregne deres handlinger over meget korte tidsspændinger, som hvad der sker over et par baner, samt hvordan de vil sprede sig over en hel levetid, men ikke hvordan og hvorfor de ændrer sig i størrelsesordenen hundreder af tusinder af år.
”Der kan muligvis ske ting, og man ved ikke rigtig hvorfor - det er et kompliceret system, så man bare ser ting udfolde sig, se en slags dynamisk udvikling udfolde sig,” sagde Batygin. "Medmindre du har denne uhyggeligt komplicerede fysiske intuition, forstår du bare ikke, hvad der foregår i din simulering."
For at følge en diskudvikling lånte Batygin et trick fra 1770'erne: beregning af den måde, matematikere Joseph-Louis Lagrange og Pierre-Simon Laplace modellerede solsystemet som en række kæmpesløjfer efter planeternes bane. Mens modellen ikke var nyttig på korte tidsskalaer for et par kredsløb rundt om solen, kunne den nøjagtigt skildre banernes interaktion med hinanden over tid.
I stedet for at modellere individuelle planets baner, brugte Batygin en række tyndere og tyndere ringe til at repræsentere forskellige stykker af den astrofysiske disk, som lag af en løg, der hver især var bundet til massen af de kredsende kroppe inden for dette område. Ringenes gravitationsinteraktioner med hinanden kunne modellere, hvordan disken ville fordreje og ændre.
Og da systemet blev for kompliceret til at beregne manuelt eller på computeren, da han tilføjede flere ringe, brugte han en matematisk genvej til at konvertere til at beskrive et uendeligt antal uendeligt tynde ringe.
"Dette er bare et bredt kendt matematisk resultat, der bruges i fysik venstre og højre," sagde Batygin. Men alligevel, på en eller anden måde, var der ingen, der havde taget springet for at model en astrofysisk disk på den måde.
”Det, der virkelig er bemærkelsesværdigt for mig, er, at ingen nogensinde har sløret [ringene] ind i et kontinuum,” sagde han. "Det virker så indlysende i eftertid, og jeg ved ikke, hvorfor jeg ikke tænkte på det før."
Da Batygin gennemgik disse beregninger, fandt han den nye ligning overraskende velkendt.
"Selvfølgelig er de to beslægtede, ikke? I kvantemekanik behandler du partikler som bølger," sagde han. "I eftertid er det lidt næsten intuitivt, at du skulle få noget som Schrodinger-ligningen, men på det tidspunkt var jeg virkelig overrasket." Ligningen har dukket uventet op før, tilføjede han - i beskrivelser af for eksempel havbølger såvel som hvordan lys bevæger sig gennem visse ikke-lineære medier.
”Hvad min forskning viser, er, at astrofysiske disks langsigtede adfærd, den måde, de bøjes og fordrejes, indgår i denne gruppe af klassiske sammenhænge, der kan forstås inden for en væsentlig kvante ramme,” sagde Batygin.
De nye resultater rejser en interessant analogi mellem de to situationer: Den måde, bølger bevæger sig gennem astrofysiske diske, der hopper ud fra den indre og den ydre kant, svarer til, hvordan en enkelt kvantepartikel springer frem og tilbage mellem to vægge, sagde han.
At finde denne ækvivalens har en interessant konsekvens: Batygin var i stand til at låne noget af det arbejde, der er udført af forskere, der allerede har studeret og arbejdet gennem denne kvantesituation omfattende, og derefter fortolket ligningen i denne nye kontekst for at forstå, hvordan diske reagerer på eksterne træk og forstyrrelser.
"Fysikere har en masse erfaring med Schrodinger-ligningen; den kommer op på 100 år gammel nu," sagde Greg Laughlin, en astrofysiker ved Yale University, som ikke var involveret i undersøgelsen, til Space.com. "Og meget meget dybt tænkt er gået til at forstå dens konsekvenser. Og så hele bygningen nu kan anvendes til udviklingen af diske."
"Og for en som mig - som ganske vist har en bedre sans, selvom ufuldkommen, af hvad protostellære diske gør - giver dette også muligheden for at gå den anden vej og måske få en dybere indsigt i kvantesystemer ved at bruge diskanalogien," siger han tilføjet. "Jeg tror, at det vil vække en masse opmærksomhed og interesse, sandsynligvis konsternation. Og i sidste ende synes jeg, det vil blive en rigtig interessant udvikling."
En forståelsesramme
Batygin ser frem til at anvende ligningen til forståelse af mange forskellige facetter af astrofysiske diske.
”Det, jeg har præsenteret i denne artikel, er en ramme,” sagde Batygin. "Jeg har angrebet et bestemt problem med det, som er problemet med diskstivhed - i hvilken udstrækning disken kan forblive tyngdekraftig under eksterne forstyrrelser. Der er en bred vifte af ekstra applikationer, som jeg ser på i øjeblikket."
Et eksempel er udviklingen af disken med affald, der til sidst dannede vores solsystem, sagde Batygin. En anden er dynamikken i ringe omkring ekstrasolære planeter. Og en tredje er disken med stjerner, der omgiver det sorte hul i midten af Mælkevejen, som i sig selv er meget bøjet.
Laughlin bemærkede, at arbejdet burde være særlig nyttigt med at forbedre forskernes forståelse af nyfødte stjernesystemer, fordi de er sværere at observere langvejs fra, og forskere i øjeblikket ikke kan simulere deres udvikling fra start til slut.
"Den matematiske ramme, som Konstantin har sat sammen, er et godt eksempel på noget, der virkelig kan hjælpe os med at forstå, hvordan objekter, der er hundreder af tusinder af orbits gamle, som en planetdannende disk, opfører sig," sagde han.
Ifølge Fred Adams, en astrofysiker ved University of Michigan, som ikke var involveret i undersøgelsen, er dette nye arbejde mest nyttigt til systemer, hvor store tyngdekraftseffekter annullerer. For systemer med mere komplicerede tyngdepåvirkninger, som galakser med meget forskellige spiralarme, er der brug for en anden modelleringsstrategi. Men for denne klasse af problemer er det en interessant variation på tilnærmelse af bølger i astrofysiske diske, sagde han.
"Forskning inden for ethvert felt, inklusive cirkumstellære diske, drager altid fordel af udvikling og brug af nye værktøjer," sagde Adams. "Dette papir repræsenterer udviklingen af et nyt analytisk værktøj eller en ny vri på ældre værktøjer, afhængigt af hvordan du ser på det. Uanset hvad er det et andet stykke af det større puslespil."
Rammen giver forskere mulighed for at forstå strukturer, astronomer ser på nattehimlen på en ny måde: Mens disse diske ændrer sig på langt længere tidsrum, end mennesker kan observere, kan ligningen anvendes til at finde ud af, hvordan et system kom til det punkt, vi ser i dag, og hvordan det kan ændre sig i fremtiden, sagde Batygin. Og det hele er baseret på matematik, der normalt beskriver utroligt hurtige, flygtige interaktioner.
"Der er denne spændende gensidighed mellem matematikken, der styrer opførelsen af den subatomiske verden og den matematik, der styrer opførslen [og] langsigtet udvikling af disse astronomiske ting, der udfolder sig på meget, meget længere tidsskalaer," tilføjede han. "Det synes jeg er en bemærkelsesværdig og spændende konsekvens."
Det nye værk blev detaljeret i dag (5. marts) i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
