Почему внутренняя часть солнечной системы не вращается быстрее?

Согласно новому исследованию, движение небольшого количества заряженных частиц может решить давнюю загадку относительно тонких газовых дисков, вращающихся вокруг молодых звезд.

Об этом рассказывают в Калифорнийском технологическом институте (Калтех), передают OstanniPodii.com.

Речь идет об особенностях, называемых аккреционными дисками. Они существовали десятки миллионов лет в ранней фазе эволюции солнечной системы. Они содержат небольшую часть массы звезды, вокруг которой вращаются — представьте себе кольцо, как у Сатурна, размером с солнечную систему. Они называются аккреционными дисками, потому что газ у них медленно закручивается по спирали по направлению к звезде.

Ученые давно поняли, что когда происходит спиральное закручивание внутрь, радиально внутренняя часть диска должна вращаться быстрее – согласно закону сохранения углового момента. Чтобы понять, как сохраняется угловой момент, вспомните вращающихся фигуристов: когда их руки вытянуты, они вращаются медленно, но когда они прижимают руки к себе, то вращаются быстрее.

Угловой момент пропорционален скорости, умноженной на радиус, и закон сохранения углового момента свидетельствует о том, что угловой момент в системе остается неизменным. Следовательно, если радиус фигуриста уменьшается, поскольку он втянул руки, единственный способ сохранить угловой момент постоянным – это увеличить скорость вращения.

Внутреннее спиральное движение аккреционного диска похоже на движение прижимающего руки к себе фигуриста, поэтому внутренняя часть аккреционного диска должна вращаться быстрее. Астрономические наблюдения показывают, что внутренняя часть аккреционного диска вращается быстрее. Однако, что интересно, он вращается не так быстро, как предполагает закон сохранения углового момента.

В течение многих лет исследователи изучали множество возможных объяснений, почему угловой момент аккреционного диска не сохраняется. Некоторые считали, что трение между внутренней и наружной вращающимися частями аккреционного диска может замедлять внутреннюю область. Однако расчеты показывают, что внутреннее трение в аккреционных дисках незначительно. Ведущая современная теория говорит о том, что магнитные поля создают так называемую "магниторотационную неустойчивость", которая порождает газовую и магнитную турбулентность – фактически образует трение, замедляющее ротационную скорость двигающегося по спирали внутрь газа.

«Это меня обеспокоило», – говорит Пол Беллан, профессор прикладной физики. «Люди всегда хотят обвинить турбулентность в явлениях, которые они не понимают. Сейчас есть большая надомная индустрия, утверждающая, что турбулентность объясняет лишение углового момента в аккреционных дисках».

Полтора десятилетия назад Беллан начал изучать этот вопрос, анализируя траектории отдельных атомов, электронов и ионов в газе, образующем аккреционный диск. Его целью было определить, как ведут себя отдельные частицы в газе при столкновении друг с другом, а также как они двигаются между столкновениями, чтобы понять, можно ли объяснить потерю углового момента без привлечения турбулентности.

Как он объяснял в течение многих лет в серии статей и лекций, которые были сосредоточены на "первых принципах" – фундаментальном поведении составных частей аккреционных дисков – на заряженные частицы (т.е. электроны и ионы) влияют как гравитация, так и магнитные поля, тогда как на нейтральные атомы влияет только гравитация. Это отличие, как он подозревал, является ключевым.

Аспирант Калтеху Ян Чжан посетил одну из таких лекций после прохождения курса, на котором он научился создавать симуляции сталкивающихся друг с другом молекул, чтобы получить случайное распределение скоростей в обычных газах, таких как воздух, которым мы дышим. «Я подошел к Полу после выступления, мы обсудили это и решили, что симуляции можно распространить на заряженные частицы, которые сталкиваются с нейтральными частицами в магнитном и гравитационном полях», - говорит Чжан.

В результате Беллан и Чжан создали компьютерную модель вращающегося, сверхтонкого, виртуального аккреционного диска. Симулированный диск содержал около 40 000 нейтральных и около 1 000 заряженных частиц, которые могли сталкиваться друг с другом, и модель также учитывала влияние гравитации и магнитного поля. «В этой модели было именно столько деталей, чтобы охватить все основные особенности, — говорит Беллан — потому, что она была достаточно велика, чтобы вести себя так же как триллионы и триллионы сталкивающихся нейтральных частиц, электронов и ионов, вращающихся вокруг звезды в магнитном поле”.

Компьютерная симуляция показала, что столкновения между нейтральными атомами и гораздо меньшим количеством заряженных частиц приведут к тому, что положительно заряженные ионы или катионы будут закручиваться по спирали внутрь к центру диска, тогда как отрицательно заряженные частицы (электроны) — по спирали наружу к краю. Нейтральные частицы, между тем, теряют угловой момент и, подобно положительно заряженным ионам, закручиваются по спирали внутрь к центру.

Тщательный анализ физики на субатомном уровне, в частности взаимодействие заряженных частиц с магнитными полями, показывает, что угловой момент не сохраняется в классическом смысле, хотя то, что называется "каноническим угловым моментом", действительно сохраняется.

Канонический угловой момент – это сумма исходного обычного углового момента плюс дополнительная величина, зависящая от заряда частицы и магнитного поля. Для нейтральных частиц нет разницы между обычным угловым моментом и каноническим угловым моментом, поэтому беспокоиться о каноническом угловом моменте — неоправданно сложная задача. Но для заряженных частиц — катионов и электронов — угловой канонический момент сильно отличается от обычного углового момента, так как дополнительная магнитная величина очень велика.

Поскольку электроны отрицательные, а катионы положительные, движение ионов внутрь и движение электронов кнаружи, вызванное столкновениями, увеличивает угловой канонический момент обоих. Нейтральные частицы теряют угловой момент в результате столкновений с заряженными частицами и двигаются внутрь, что уравновешивает увеличение канонического углового момента заряженных частиц.

Это небольшое отличие, но оно имеет огромное значение в масштабах всей солнечной системы, говорит Беллан, утверждающий, что этот тонкий учет удовлетворяет закон сохранения канонического углового момента для суммы всех частиц во всем диске; только примерно одна из миллиарда частиц должна быть заряжена, чтобы объяснить наблюдаемую потерю углового момента нейтральных частиц.

Более того, говорит Беллан, движение катионов внутрь диска и движение электронов наружу приводит к тому, что диск становится чем-то вроде гигантской батареи с положительным полюсом в центре диска и отрицательным полюсом на краю диска. Такая батарея могла бы приводить в движение электрические токи, отходящие с диска как над его плоскостью, так и под ней. Эти токи могли бы подпитывать астрофизические джеты, вылетающие с диска в обоих направлениях вдоль оси диска. Действительно, джеты наблюдаются астрономами уже более века и, как известно, связаны с аккреционными дисками, хотя стоящая за их возникновением сила долгое время оставалась загадкой.

Работа Беллана и Янга была опубликована в журнале The Astrophysical Journal.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.