Чому внутрішня частина сонячної системи не обертається швидше?

Згідно з новим дослідженням, рух невеликої кількості заряджених частинок може вирішити давню загадку щодо тонких газових дисків, що обертаються навколо молодих зірок.

Про це розповідають в Каліфорнійському технологічному інституті (Калтех), передають OstanniPodii.com.

Йдеться про особливості, які називаються акреційними дисками. Вони існували десятки мільйонів років у ранній фазі еволюції сонячної системи. Вони містять невелику частину маси зорі, довкола якої обертаються — уявіть собі кільце, як у Сатурна, розміром із сонячну систему. Вони називаються акреційними дисками тому, що газ у них повільно закручується по спіралі у напрямку зірки.

Вчені давно зрозуміли, що коли відбувається спіральне закручування всередину, радіально внутрішня частина диска повинна обертатися швидше — відповідно до закону збереження кутового моменту. Щоб зрозуміти, як зберігається кутовий момент, згадайте фігуристів, що обертаються: коли їхні руки витягнуті, вони обертаються повільно, але коли вони притискають руки до себе, то обертаються швидше.

Кутовий момент пропорційний швидкості, помноженої на радіус, і закон збереження кутового моменту свідчить, що кутовий момент у системі залишається незмінним. Отже, якщо радіус фігуриста зменшується, оскільки він втягнув руки, єдиний спосіб зберегти кутовий момент постійним — це збільшити швидкість обертання.

Внутрішній спіральний рух акреційного диска схожий на рух фігуриста, що притискає руки до себе, тому внутрішня частина акреційного диска повинна обертатися швидше. І дійсно, астрономічні спостереження показують, що внутрішня частина акреційного диска обертається швидше. Однак, що цікаво, він обертається не так швидко, як передбачає закон збереження кутового моменту.

Протягом багатьох років дослідники вивчали безліч можливих пояснень, чому кутовий момент акреційного диска не зберігається. Деякі вважали, що тертя між внутрішньою та зовнішньою обертовими частинами акреційного диска може уповільнювати внутрішню область. Однак розрахунки показують, що внутрішнє тертя в акреційних дисках є незначним. Провідна сучасна теорія говорить про те, що магнітні поля створюють так звану "магніторотаційну нестійкість", яка породжує газову та магнітну турбулентність — фактично утворює тертя, що уповільнює ротаційну швидкість газу, який по спіралі рухається всередину.

“Це мене стурбувало”, - каже Пол Беллан, професор прикладної фізики. “Люди завжди хочуть звинуватити турбулентність у явищах, які вони не розуміють. Зараз є велика надомна індустрія, яка стверджує, що турбулентність пояснює позбавлення кутового моменту в акреційних дисках”.

Півтора десятиліття тому Беллан почав вивчати це питання, аналізуючи траєкторії окремих атомів, електронів та іонів у газі, який утворює акреційний диск. Його метою було визначити, як поводяться окремі частинки в газі при зіткненні одна з одною, а також як вони рухаються між зіткненнями, щоб зрозуміти, чи можна пояснити втрату кутового моменту без залучення турбулентності.

Як він пояснював протягом багатьох років у серії статей та лекцій, які були зосереджені на "перших принципах" — фундаментальній поведінці складових частин акреційних дисків — на заряджені частинки (тобто електрони та іони) впливають як гравітація, так і магнітні поля, тоді як на нейтральні атоми впливає лише гравітація. Ця відмінність, як він підозрював, є ключовою.

Аспірант Калтеху Ян Чжан відвідав одну з таких лекцій після проходження курсу, на якому він навчився створювати симуляції молекул, які зіштовхуються одна з одною, щоб отримати випадковий розподіл швидкостей у звичайних газах, таких як повітря, яким ми дихаємо. “Я підійшов до Пола після виступу, ми обговорили це та зрештою вирішили, що симуляції можна поширити на заряджені частинки, які стикаються з нейтральними частинками в магнітному та гравітаційному полях”, — каже Чжан.

У результаті Беллан і Чжан створили комп'ютерну модель обертового, надтонкого, віртуального акреційного диска. Симульований диск містив близько 40 000 нейтральних і близько 1 000 заряджених частинок, які могли зіштовхуватися одна з одною, і модель також враховувала вплив гравітації та магнітного поля. “У цій моделі було саме стільки деталей, щоб охопити всі основні особливості, — каже Беллан — тому, що вона була достатньо великою, щоб поводитися так само як трильйони й трильйони нейтральних частинок, електронів та іонів, що стикаються та обертаються навколо зорі в магнітному полі”.

Комп'ютерна симуляція показала, що зіткнення між нейтральними атомами та набагато меншою кількістю заряджених частинок призведуть до того, що позитивно заряджені іони, або катіони, будуть закручуватися по спіралі всередину до центру диска, тоді як негативно заряджені частинки (електрони) — по спіралі назовні до краю. Нейтральні частинки, тим часом втрачають кутовий момент і, подібно до позитивно заряджених іонів, закручуються по спіралі всередину до центру.

Ретельний аналіз фізики на субатомному рівні, зокрема взаємодії заряджених частинок з магнітними полями, показує, що кутовий момент не зберігається в класичному сенсі, хоча те, що зветься "канонічним кутовим моментом", дійсно зберігається.

Канонічний кутовий момент — це сума вихідного звичайного кутового моменту плюс додаткова величина, яка залежить від заряду частинки та магнітного поля. Для нейтральних частинок немає різниці між звичайним кутовим моментом і канонічним кутовим моментом, тому турбуватися про канонічний кутовий момент є невиправдано складним завданням. Але для заряджених частинок – катіонів та електронів – канонічний кутовий момент сильно відрізняється від звичайного кутового моменту, тому що додаткова магнітна величина дуже велика.

Оскільки електрони негативні, а катіони позитивні, рух іонів всередину та рух електронів назовні, що спричинено зіткненнями, збільшує кутовий канонічний момент обох. Нейтральні частинки втрачають кутовий момент у результаті зіткнень із зарядженими частинками та рухаються всередину, що врівноважує збільшення канонічного кутового моменту заряджених частинок.

Це невелика відмінність, але вона має величезне значення в масштабах всієї сонячної системи, говорить Беллан, який стверджує, що цей тонкий облік задовольняє закон збереження канонічного кутового моменту для суми всіх частинок у всьому диску; тільки приблизно одна з мільярда частинок повинна бути зарядженою, щоб пояснити втрату кутового моменту нейтральних частинок, що спостерігається.

Щобільше, каже Беллан, рух катіонів усередину диска та рух електронів назовні призводить до того, що диск стає чимось на зразок гігантської батареї з позитивним полюсом у центрі диска та негативним полюсом на краю диска. Така батарея могла б приводити в рух електричні струми, які відходять з диска як над його площиною, так і під нею. Ці струми могли б підживлювати астрофізичні джети, що вилітають із диска в обох напрямках вздовж осі диска. Справді, джети спостерігаються астрономами вже понад століття і, як відомо, пов'язані з акреційними дисками, хоча сила, що стоїть за їхнім виникненням, довгий час залишалася загадкою.

Робота Беллана та Янга була опублікована у журналі The Astrophysical Journal.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.