Uued uuringud seovad suuremahuliste materjali ketaste väändumist universumis Schrodingeri võrrandiga, mis kirjeldab aatomi ja alaatomite objektide kvantmehaanilist käitumist.
(Pilt: © James Tuttle Keane / California Tehnikainstituut)
Hiiglaslikud tähtede või pragude kettad võivad töötada samade reeglite järgi nagu subatomaalsed osakesed, muutudes Schrodingeri võrrandi alusel, mida füüsikud kasutavad kvantmehaaniliste süsteemide modelleerimiseks.
Kosmosestruktuuride vaatamine selle võrrandiga võib anda uut teavet galaktikate arengust, samuti paljastada vihjeid varase Päikesesüsteemi mehaanikale ja kaugeid planeete ümbritsevate rõngaste toimimisele, teatas uus uuring.
Uue uuringu autor California Tehnikainstituudi teadur Konstantin Batygin ei olnud nende astrofüüsikaliste ketaste uurimisel eeldanud, et leiab selle konkreetse võrrandi. "Omal ajal oli mul täiesti põrand," rääkis Batygin Space.com-ile. "Ma ootasin, et ilmub tavaline lainevõrrand, midagi stringi laine taolist või midagi sellist. Ja selle asemel saan selle võrrandi, mis on tegelikult kvantmehaanika nurgakivi." [Planeedi ehitamise "lendava taldriku" ketas on üllatavalt lahe (Video)]
Schrodingeri võrrandit kasutades saavad füüsikud tõlgendada süsteemide vastasmõjusid aatomi ja alaatomilisel skaalal nii lainete kui ka osakeste osas - kvantmehaanika võtmekontseptsioon, mis kirjeldab nende süsteemide mõnikord mitte-intuitiivset käitumist. Selgub, et ka astrofüüsikaliste ketaste väändumine võib käituda nagu osakesed.
"Tagantjärele mõeldes nüüd probleemile, olen üllatunud, kuidas ma ei osanud lihtsalt arvata, et just nii see saab olema," ütles Batõgin, keda tuntakse (niikuinii võhikutele) ehk kõige paremini 2016. aasta uuringu autor koos Caltechi teadlase Mike Browniga, mis leidis tõendeid võimaliku avastamata "Planeedi üheksa" kohta meie välise Päikesesüsteemi pimedates sügavustes.
Pauk minevikust
Klassi õpetades tuli Batygin selle ühendusega kokku. Ta püüdis selgitada, kuidas lained liiguvad läbi laiade ketaste, mis on kosmosearhitektuuri põhiosa - näiteks sellised kettad on ehitatud tähtedest galaktika keskmes asuvate supermassiivsete mustade aukude ümber ja valmistatud vastsündinud tähesüsteemis tolmust ja prahist. Kettad painduvad ja väänduvad keerulisel viisil, mida praegune modelleerimine ei suuda kõigil ajakavadel käsitleda. Teadlased saavad arvutada oma tegevuse väga lühikese ajavahemiku jooksul, näiteks nii, mis juhtub mõne orbiidi jooksul, kui ka selle, kuidas need kogu eluaja jooksul hajuvad, kuid mitte kuidas ja miks need muutuvad sadade tuhandete aastate järjekorras.
"Asjad võivad juhtuda, ja te ei tea tegelikult, miks - see on keeruline süsteem, nii et näete lihtsalt asju lahti rulluvat, näete mingisugust dünaamilist evolutsiooni," sõnas Batygin. "Kui teil pole seda tohutult keerulist füüsilist intuitsiooni, ei saa te lihtsalt aru, mis teie simulatsioonis toimub."
Ketta arengu jälgimiseks laenas Batygin 1770. aastatest triki: arvutades selle, kuidas matemaatikud Joseph-Louis Lagrange ja Pierre-Simon Laplace modelleerisid Päikesesüsteemi planeetide orbiitidele järgnenud hiiglaslike silmuste jadana. Kuigi mudelist polnud abi mõne päikese ümberringi lühikese aja jooksul, võis see täpselt kujutada orbiidide vastasmõjusid aja jooksul.
Üksikute planeetide orbiitide modelleerimise asemel kasutas Batõgin õhemate ja õhemate rõngaste seeriat, et kujutada astrofüüsikalise ketta erinevaid detaile, nagu sibulakihid, mis on seotud selle piirkonna orbiidil olevate kehade massiga. Rõngaste gravitatsiooniline vastasmõju üksteisega saaks modelleerida, kuidas ketas väändub ja muutub.
Ja kui süsteemi käsitsi või arvutis arvutamiseks läks liiga keerukaks, kuna ta lisas veel rõngaid, kasutas ta matemaatilist otseteed teisendamiseks lõpmatu hulga lõpmata õhukeste rõngaste kirjeldamiseks.
"See on lihtsalt laialt tuntud matemaatiline tulemus, mida kasutatakse füüsikas vasakul ja paremal," sõnas Batygin. Kuid ometi polnud keegi millegipärast astunud sammu astrofüüsikalise ketta modelleerimiseks.
"Minu jaoks on tõeliselt tähelepanuväärne see, et keegi pole kunagi varem rõngaid [rõngaid] pidevuseks hävitanud," ütles ta. "Tagantjärele tundub see nii ilmne ja ma ei tea, miks ma sellele varem ei mõelnud."
Kui Batygin need arvutused läbi viis, leidis ta tekkiva võrrandi üllatavalt tuttavaks.
"Muidugi, need kaks on omavahel seotud, eks? Kvantmehaanikas käsitlete osakesi lainetena," ütles ta. "Tagantjärele mõeldes on see peaaegu intuitiivne, et peaksite hankima midagi Schrodingeri võrrandi sarnast, kuid olin tol ajal tõesti tõeliselt üllatunud." Valem on hüpoteegi üles avanenud varem, lisas ta - näiteks ookeanilainete kirjeldustes ja ka valguse liikumisel teatud mittelineaarsete meediumite kaudu.
"See, mida minu uurimus näitab, on see, et astrofüüsiliste ketaste pikaajaline käitumine, see, kuidas need painduvad ja väänduvad, ühinevad selle klassikaliste kontekstide rühmaga, mida saab mõista sisuliselt kvantraamistikus," sõnas Batõgin.
Uued tulemused tõstavad huvitava analoogia kahe olukorra vahel: viis, kuidas lained liiguvad läbi astrofüüsikaliste ketaste, põrgates välja sise- ja välisservad, on samaväärne sellega, kuidas üksik kvantosake põrkub kahe seina vahel edasi-tagasi, ütles ta.
Selle samaväärsuse leidmisel on üks huvitav tagajärg: Batygin suutis laenata osa teadlaste tööst, kes on seda kvantolukorda juba uurinud ja läbi töötanud, ning tõlgendada võrrandit selles uues kontekstis, et mõista, kuidas kettad reageerivad välisele tõmbele ja häiringud.
"Füüsikutel on Schrodingeri võrrandiga palju kogemusi; see saabub nüüd 100-aastaseks," rääkis Yale'i ülikooli astrofüüsik Greg Laughlin, kes polnud uuringuga seotud, ütles Space.com. "Ja selle tagajärgede mõistmiseks on läinud palju väga sügavaid mõtteid. Ja nii, et tervet ehitist saab nüüd ketaste arengule rakendada."
"Ja minusuguse inimese jaoks - kellel on tõepoolest mõistlikum, ehkki ebatäiuslik - seda, mida protostellaarsed kettad teevad - see annab ka võimaluse minna teist teed ja võib-olla saada ketta analoogia abil põhjalikum ülevaade kvantisüsteemidest," lisatud. "Arvan, et see äratas palju tähelepanu ja huvi, ilmselt ka jama. Ja lõppkokkuvõttes arvan, et see saab olema tõeliselt huvitav areng."
Mõistmise raamistik
Batygin soovib võrrandi rakendamist astrofüüsikaliste ketaste paljude erinevate tahkude mõistmiseks.
"See, mida ma selles dokumendis esitasin, on raamistik," ütles Batõgin. "Olen sellega rünnanud ühte konkreetset probleemi, milleks on ketta jäikuse probleem - mil määral ketas suudab gravitatsiooniliselt jäigaks jääda väliste häirete all. Seal on lai valik lisarakendusi, mida ma praegu uurin."
Üks näide on prahi ketta areng, mis lõpuks moodustas meie päikesesüsteemi, ütles Batygin. Teine võimalus on ekstrasolaarsete planeetide ümbritsevate rõngaste dünaamika. Ja kolmandik on Linnutee keskmes olevat musta auku ümbritsev tähtede ketas, mis ise on tugevalt painutatud.
Laughlin märkis, et see töö peaks olema eriti kasulik teadlaste arusaamise parandamiseks vastsündinud tähesüsteemidest, kuna neid on kaugelt raskem jälgida ja teadlased ei suuda praegu nende arengut algusest lõpuni jäljendada.
"Konstantini kokku pandud matemaatiline raamistik on hea näide millestki, mis võib tõesti aidata meil mõista, kuidas käituvad objektid, mis on sadade tuhandete orbiidide ümber nagu planeeti moodustav ketas," ütles ta.
Michigani ülikooli astrofüüsiku Fred Adamsi sõnul, kes uuringuga ei tegelenud, on see uus töö kõige kasulikum süsteemide jaoks, kus suuremahulised gravitatsiooniefektid kaovad. Keerukamate gravitatsiooniliste mõjudega süsteemide jaoks, näiteks väga eristuvate spiraalharudega galaktikad, on vaja mõnda muud modelleerimisstrateegiat. Kuid selle probleemiklassi jaoks on see huvitav variatsioon astrofüüsikaliste ketaste lainete lähendamisel, ütles ta.
"Uute tööriistade väljatöötamine ja kasutamine toob alati kasu mis tahes valdkonna teadusuuringutele, sealhulgas ümmargustele ketastele," sõnas Adams. "See artikkel tähistab uue analüütilise tööriista või vanemate tööriistade uue keeru väljatöötamist, sõltuvalt sellest, kuidas te seda vaatate. Mõlemal juhul on see veel üks tükk suuremast mõistatusest."
Raamistik võimaldab teadlastel mõista struktuure, mida astronoomid näevad öises taevas uuel viisil: Kuigi need kettad muutuvad palju pikema aja jooksul, kui inimesed suudavad jälgida, saab võrrandit kasutada, et välja selgitada, kuidas süsteem jõudis punkti, mida me näeme. täna ja kuidas see võib tulevikus muutuda, ütles Batygin. Ja see kõik põhineb matemaatikal, mis kirjeldab tavaliselt uskumatult kiireid ja põgusaid interaktsioone.
"Seal on see intrigeeriv vastastikkus matemaatika vahel, mis reguleerib subatomaatiliste maailmade käitumist, ja matemaatikas, mis reguleerib nende astronoomiliste asjade käitumist [ja] pikaajalist arengut, mis ilmnevad paljudel, palju pikematel ajavahemikel," lisas ta. "See on minu arvates tähelepanuväärne ja intrigeeriv tagajärg."
Uuest teosest räägiti üksikasjalikult täna (5. märtsil) ajakirjas Kuu teated kuningliku astronoomiaühingu kohta.
