Nový výskum spája deformáciu veľkých diskov materiálu vo vesmíre so Schrodingerovou rovnicou, ktorá opisuje kvantové mechanické správanie atómových a subatomárnych objektov.
(Obrázok: © James Tuttle Keane / Kalifornský technologický inštitút)
Obrovské disky hviezd alebo úlomkov môžu fungovať podľa rovnakých pravidiel ako subatomárne častice, meniace sa podľa Schrodingerovej rovnice, ktorú fyzici používajú na modelovanie kvantovo-mechanických systémov.
Sledovanie vesmírnych štruktúr pomocou tejto rovnice môže priniesť nové poznatky o vývoji galaxií, ako aj odhaliť stopy o mechanike skorej slnečnej sústavy a pôsobení krúžkov krúžiacich na vzdialené planéty.
Kalifornský technologický vedec Konstantin Batygin, autor novej štúdie, neočakával, že pri štúdiu týchto astrofyzikálnych diskov nájde túto konkrétnu rovnicu. „V tom čase som bol úplne na podlahe,“ povedal Batygin Space.com. „Čakal som, že sa objaví rovnica pravidelných vĺn, niečo ako vlna struny alebo niečo také. A namiesto toho dostanem túto rovnicu, ktorá je skutočne základným kameňom kvantovej mechaniky.“ [Disk Flying Saucer 'Flying Saucer' je prekvapivo chladný (video)]
Pomocou Schrodingerovej rovnice môžu fyzici interpretovať interakcie systémov na atómovej a subatomárnej stupnici z hľadiska vĺn a častíc - kľúčový koncept v kvantovej mechanike, ktorý opisuje niekedy neintuitívne správanie týchto systémov. Ukazuje sa, že deformácia astrofyzikálnych diskov môže tiež pôsobiť ako častice.
„Pri spätnom pohľade, keď sa teraz pozriem na problém, som prekvapený tým, ako som si len nehádal, že to bude to, čo bude,“ povedal Batygin, ktorý je pravdepodobne najznámejší (rovnako pre laikov). autor štúdie 2016 s kolegami z Caltechu, výskumníkom Mikeom Brownom, ktorý našiel dôkaz možného neobjaveného „Planet Nine“ v temných hĺbkach vonkajšej slnečnej sústavy.
Výbuch z minulosti
Batygin pri výučbe triedy narazil na spojenie. Snažil sa vysvetliť, ako vlny cestujú cez široké disky, ktoré sú základom vesmírnej architektúry - napríklad také disky sú postavené z hviezd okolo supermasívnych čiernych dier v centre galaxie a sú vyrobené z prachu a úlomkov v novonarodenom systéme hviezd. Disky sa ohýbajú a deformujú zložitým spôsobom, ktorý súčasné modelovanie nedokáže zvládnuť vo všetkých časových intervaloch. Vedci dokážu vypočítať svoje kroky za veľmi krátke časové obdobie, ako napríklad to, čo sa deje na niekoľkých dráhach, ako aj to, ako sa rozptýlia počas celého života, ale nie ako a prečo sa budú meniť rádovo stovky tisíc rokov.
„Môžu sa stať veci a vy naozaj nevieš prečo - je to komplikovaný systém, takže vidíš len rozvinúť veci, rozvinúť nejaký dynamický vývoj,“ povedal Batygin. „Pokiaľ nemáte takú obrovskú komplikovanú fyzickú intuíciu, nechápete, čo sa deje vo vašej simulácii.“
Na sledovanie vývoja disku si Batygin požičal trik zo 70. rokov 20. storočia: výpočet spôsobu, akým matematici Joseph-Louis Lagrange a Pierre-Simon Laplace modelovali slnečnú sústavu ako sériu obrovských slučiek sledujúcich obežné dráhy planét. Kým model nebol užitočný v krátkych časových intervaloch niekoľkých okruhov okolo Slnka, mohol presne znázorňovať vzájomné interakcie obežných dráh v priebehu času.
Namiesto modelovania obežných dráh jednotlivých planét použil Batygin sériu tenších a tenších krúžkov na znázornenie rôznych častí astrofyzikálneho disku, napríklad vrstiev cibule, z ktorých každá je spojená s hmotnosťou obiehajúcich telies v tejto oblasti. Gravitačné interakcie krúžkov mohli spolu modelovať, ako by sa disk deformoval a menil.
A keď sa systém príliš komplikoval na výpočet ručne alebo na počítači, keď pridal ďalšie krúžky, použil matematickú skratku na konverziu na opis nekonečného počtu nekonečne tenkých krúžkov.
„Toto je len všeobecne známy matematický výsledok, ktorý sa používa vo fyzike vľavo a vpravo,“ povedal Batygin. Ale napriek tomu nikto tak neurobil skok na modelovanie astrofyzikálneho disku týmto spôsobom.
„Čo je pre mňa skutočne pozoruhodné, je to, že nikto nikdy predtým neostril kruhy do kontinua,“ povedal. „Pri spätnom pohľade to vyzerá tak zrejmé a neviem, prečo som o tom skôr nerozmýšľal.“
Keď Batygin prešiel týmito výpočtami, zistil, že vznikajúca rovnica je prekvapivo známa.
„Samozrejme, tieto dva spolu súvisia, však? V kvantovej mechanike považujete častice za vlny,“ povedal. „Pri spätnom pohľade je takmer intuitívne, že by ste mali dostať niečo ako Schrodingerovu rovnicu, ale v tom čase som bol skutočne prekvapený.“ Rovnica sa objavila nečakane predtým, dodal - napríklad v popisoch morských vĺn, ako aj o spôsobe, akým sa svetlo pohybuje cez určité nelineárne médiá.
„Môj výskum ukazuje, že dlhodobé správanie astrofyzikálnych diskov, spôsob ich ohýbania a deformácie, sa spája s touto skupinou klasických kontextov, ktoré je možné chápať v podstate v kvantovom rámci,“ uviedol Batygin.
Nové výsledky vyvolávajú zaujímavú analógiu medzi týmito dvoma situáciami: Spôsob, akým vlny prechádzajú astrofyzikálnymi diskami, odrážajúc sa od vnútorných a vonkajších hrán, je rovnocenný s tým, ako sa jedna kvantová častica odrazí tam a späť medzi dvoma stenami.
Zistenie tejto rovnocennosti má jeden zaujímavý dôsledok: Batygin si mohol požičať časť práce, ktorú vykonali vedci, ktorí už túto kvantovú situáciu študovali a pracovali, a potom interpretoval rovnicu v tomto novom kontexte, aby pochopil, ako disky reagujú na vonkajšie ťahy a odchýlky.
„Fyzici majú s Schrodingerovou rovnicou veľa skúseností; teraz sa objavuje na 100 rokov,“ uviedol pre agentúru Space.com Greg Laughlin, astrofyzik z Yale University. „A veľa hlbokých myšlienok pochopilo jeho dôsledky. A tak sa teraz na vývoj diskov dá použiť celá budova.“
„A pre niekoho, ako som ja - kto má síce lepší zmysel, hoci nedokonalý, čo robia protostelárne disky - to tiež dáva príležitosť ísť inou cestou a možno získať hlbší pohľad do kvantových systémov pomocou analógie disku,“ pridaný. „Myslím si, že to vzbudí veľa pozornosti a záujmu, pravdepodobne zdesenia. A nakoniec si myslím, že to bude skutočne zaujímavý vývoj.“
Rámec porozumenia
Batygin sa teší na aplikáciu rovnice na pochopenie mnohých rôznych aspektov astrofyzikálnych diskov.
„To, čo som v tomto dokumente uviedol, je rámec,“ povedal Batygin. „Zaútočil som na jeden konkrétny problém, ktorým je problém s rigiditou disku - miera, v akej môže disk pri vonkajších poruchách zostať gravitačne rigidný. Momentálne sa zaoberám celým radom ďalších aplikácií.“
Jedným z príkladov je vývoj disku trosiek, ktorý nakoniec tvoril našu slnečnú sústavu, uviedol Batygin. Ďalšou je dynamika krúžkov okolo extrasolárnych planét. A tretí je disk hviezd obklopujúci čiernu dieru v strede Mliečnej dráhy, ktorý je sám o sebe veľmi ohnutý.
Laughlin poznamenal, že práca by mala byť obzvlášť užitočná pri zlepšovaní porozumenia vedcov o novonarodených hviezdnych systémoch, pretože ich zďaleka nie je možné pozorovať, a vedci v súčasnosti nedokážu simulovať ich vývoj od začiatku do konca.
„Matematický rámec, ktorý dal Konstantin dohromady, je dobrým príkladom niečoho, čo by nám naozaj mohlo pomôcť pochopiť, ako sa správajú objekty, ktoré sú staré stovky tisíc orbit, ako napríklad disk tvoriaci planétu,“ uviedol.
Podľa Freda Adamsa, astrofyzika z University of Michigan, ktorý sa nezúčastnil na štúdii, je táto nová práca najužitočnejšia pre systémy, v ktorých sa rušivé účinky veľkého rozsahu rušia. Pre systémy s komplikovanejšími gravitačnými vplyvmi, ako sú galaxie s veľmi odlišnými špirálovými ramenami, bude potrebná nejaká iná modelovacia stratégia. Ale pre túto skupinu problémov je to zaujímavá variácia pri aproximácii vĺn na astrofyzikálnych diskoch.
„Výskum v akejkoľvek oblasti vrátane obvodových diskov vždy profituje z vývoja a používania nových nástrojov,“ uviedol Adams. „Tento dokument predstavuje vývoj nového analytického nástroja alebo nového zvratu na starších nástrojoch v závislosti od toho, ako sa naň pozeráte. V každom prípade je to ďalší kus väčšej hádanky.“
Rámec umožní vedcom pochopiť štruktúry, ktoré astronómovia vidia na nočnej oblohe novým spôsobom: Kým sa tieto disky menia v oveľa dlhších časových intervaloch, ako môžu ľudia pozorovať, pomocou rovnice je možné zistiť, ako sa systém dostal do bodu, ktorý vidíme dnes a ako sa to môže zmeniť v budúcnosti, povedal Batygin. A všetko je založené na matematike, ktorá zvyčajne popisuje neuveriteľne rýchle a prchavé interakcie.
„Je tu táto zaujímavá reciprocita medzi matematikou, ktorá riadi správanie subatomárneho sveta, a matematikou, ktorá riadi správanie [a] dlhodobým vývojom týchto astronomických vecí, ktoré sa odohrávajú v oveľa, oveľa dlhšom časovom horizonte,“ dodal. „Myslím si, že to je pozoruhodný a zaujímavý dôsledok.“
Nová práca bola podrobne opísaná dnes (5. marca) v časopise Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti.
