Нова истраживања повезују извијање великих дискова материјала у свемиру са Сцхродингеровом једначином, која описује квантно механичко понашање атомских и субатомских објеката.
(Слика: © Јамес Туттле Кеане / Калифорнијски технолошки институт)
Огромни дискови звезда или крхотина могу да раде по истим правилима као и субатомске честице, мењајући се на основу Сцхродингерове једначине, које физичари користе за моделирање квантно-механичких система.
Гледање свемирских структура с том једначином може дати нови увид у то како се галаксије развијају, као и открити трагове о механици раног Сунчевог система и дјеловању прстенова који круже удаљеним планетама, извјештава ново истраживање.
Истраживач калифорнијског технолошког института Константин Батигин, аутор нове студије, није очекивао да ће наћи ту посебну једнаџбу приликом проучавања тих астрофизичких дискова. "У то време био сам у потпуности покривен", рекао је Батигин за Спаце.цом. "Очекивао сам да ће се појавити регуларна таласна једнаџба, нешто попут таласа низа или нешто слично. И уместо тога, добила сам ову једначину, која је заправо камен квантне механике." [Изградња планета „Летећи тањир“ диск је изненађујуће цоол (Видео)]
Користећи Сцхродингерову једнаџбу, физичари могу интерпретирати интеракције система на атомској и субатомској скали у смислу таласа и честица - кључни концепт у квантној механици који описује понекад неинтуитивно понашање тих система. Испада да искривљење астрофизичких дискова такође може да делује као честице.
"Ретроспективно, кад сада погледам проблем, изненадио сам се како нисам само претпоставио да ће то бити", рекао је Батигин, који је можда најпознатији (за све људе - лаике) за цо- аутор студије из 2016. са колегом Цалтецх-овим истраживачем Микеом Бровном који је пронашао доказе за могућу неоткривену „планету девет“ у мрачним дубинама нашег спољног соларног система.
Бљесак из прошлости
Батигин је наишао на везу кад је предавао час. Покушавао је да објасни како таласи путују кроз широке дискове који су део свемирске архитектуре - на пример, такви дискови су изграђени од звезда око супермасивних црних рупа у центру галаксије, и направљени од прашине и крхотина у систему новорођенчета. Дискови се савијају и превијају на сложен начин тако да се тренутно моделирање не може носити са свим временским интервалима. Научници могу да израчунају своје деловање током врло кратког временског распона, као што је то што се дешава током неколико орбита, као и како ће се они раштркати током целог животног века, али не и како ће се мењати редоследом стотина хиљада година.
"Ствари се могу десити, а ви заправо не знате зашто - то је компликован систем, тако да само видите ствари како се одвијају, видите како се одвија нека врста динамичке еволуције", рекао је Батигин. "Уколико немате ову монструозно компликовану физичку интуицију, једноставно не разумете шта се догађа у вашој симулацији."
Да би пратио развој диска, Батигин је позајмио трик из 1770-их: израчунавајући начин на који су математичари Јосепх-Лоуис Лагранге и Пиерре-Симон Лаплаце моделирали соларни систем као низ џиновских петљи које прате орбите планета. Иако модел није био користан у кратким временским размацима од неколико кругова око сунца, могао је тачно приказати интеракције орбита једна с другом током времена.
Уместо да моделира орбите појединих планета, Батигин је користио низ тањих и тањих прстенова за представљање различитих делова астрофизичког диска, попут слојева лука, који су сваки везани за масу орбиталих тела у том региону. Гравитациона интеракција прстенова једни са другима могли би да моделирају како ће се диск превртати и мењати.
А када је систем постао превише компликован за израчунавање руком или на рачунару док је додао више прстенова, користио се математичком пречицом да би претворио у опис бесконачног броја бесконачно танких прстенова.
"Ово је само опште познати математички резултат који се користи у физици лево и десно", рекао је Батигин. Али ипак, некако, нико није предузео скок да на тај начин моделира астрофизички диск.
"Оно што ми је заиста изванредно је то што нико до сада није замаглио [прстенове] у континуитет," рекао је. "Изгледа тако очигледно у ретроспективи и не знам зашто нисам раније размишљао о томе."
Кад је Батигин прошао кроз те калкулације, установио је насталу једначину изненађујуће познатом.
"Наравно, њих двоје су повезани, зар не? У квантној механици ви честице третирате као талас", рекао је. "Ретроспективно, некако је готово интуитивно да бисте требали добити нешто попут Сцхродингерове једначине, али у то време сам заиста био изненађен." Једнаџба је неочекивано искочила раније, додао је - на пример, у описима океанских таласа, као и о начину на који се светлост креће кроз одређене нелинеарне медије.
"Оно што моје истраживање показује је да се дугорочно понашање астрофизичких дискова, начин на који се савијају и превијају, придружује овој групи класичних контекста који се могу схватити у основи квантном оквиру", рекао је Батигин.
Нови резултати стварају занимљиву аналогију између две ситуације: Начин на који таласи путују кроз астрофизичке дискове, одбијајући се од унутрашње и спољашње ивице, еквивалентан је начину на који једна квантна честица одскаче напред-назад између два зида, рекао је.
Проналажење ове еквиваленције има једну занимљиву последицу: Батигин је био у стању да позајми део посла који су урадили истраживачи који су већ интензивно проучавали и радили кроз ову квантну ситуацију, а затим интерпретирао једнаџбу у овом новом контексту како би разумео како дискови реагују на спољне потезе и узнемирености.
"Физичари имају пуно искуства са Сцхродингеровом једначином; појављује се већ на 100 година", рекао је за Спаце.цом Грег Лаугхлин, астрофизичар са универзитета Јејл који није био укључен у студију. "И доста дубока мисао ушла је у разумевање његових посљедица. И тако да се сада читава грађевина може примијенити на еволуцију дискова."
"И за некога попут мене - који има бољи смисао, иако несавршен, шта раде протозвездани дискови - ово такође даје прилику да се крене другим путем и можда добијете дубљи увид у квантне системе користећи аналогију диска", рекао је додато. "Мислим да ће побудити пуно пажње и интересовања, вероватно констернације. И на крају, мислим да ће то бити заиста занимљив развој."
Оквир разумевања
Батигин се радује примени једначине за разумевање многих различитих аспеката астрофизичких дискова.
"Оно што сам представио у овом раду је оквир", рекао је Батигин. "Напао сам са једним посебним проблемом, а то је проблем крутости диска - у којој мери диск може остати гравитационо крут под спољним поремећајима. Тренутно постоји широк спектар додатних апликација."
Један пример је еволуција диска крхотина који је на крају формирао наш соларни систем, рекао је Батигин. Друга је динамика прстенова око екстрасоларних планета. А трећа је диск звезда који окружује црну рупу у центру Млечног пута, који је и сам по себи савијен.
Лаугхлин је напоменуо да би рад требало да буде посебно користан у побољшању разумевања истраживача система новорођених звезда, јер их је теже опажати из далека, а истраживачи тренутно не могу да симулирају њихов развој од почетка до краја.
"Математички оквир који је Константин саставио добар је пример нечега што би нам заиста могло помоћи да схватимо како се понашају предмети стари стотине хиљада орбита, попут диска који формира планету", рекао је.
Према Фреду Адамсу, астрофизичару са Универзитета у Мичигену, који није учествовао у студији, ово је ново дело најкорисније за системе у којима велики гравитациони ефекти отказују. За системе са сложенијим гравитационим утицајима, попут галаксија са врло израженим спиралним краковима, бит ће потребна нека друга стратегија моделирања. Али за ову класу проблема, занимљива је варијација приближавања таласа у астрофизичким дисковима, рекао је.
"Истраживања у било којој области, укључујући циркуларне дискове, увек имају користи од развоја и употребе нових алата", рекао је Адамс. "Овај рад представља развој новог аналитичког алата или новог заокрета на старијим алатима, зависно од тога како гледате на њега. У сваком случају, то је још један део веће слагалице."
Оквир ће омогућити истраживачима да разумеју структуре које астрономи виде на ноћном небу на нови начин: Док се ови дискови мењају у далеко дужим временским интервалима него што то људи могу да примете, једначина се може применити како би се утврдило како је систем доспео до тачке коју видимо данас и како би се то могло променити у будућности, рекао је Батигин. И све је засновано на математици која обично описује невероватно брзе, брзо промене интеракције.
"Постоји та интригантна узајамност између математике која управља понашањем субатомског света и математике која управља понашањем [и] дугорочном еволуцијом ових астрономских ствари које се одвијају у много већим временским оквирима", додао је. "Мислим да је то изванредна и интригантна последица."
Нови рад детаљно је представљен данас (5. марта) у часопису Месечна обавештења Краљевског астрономског друштва.
