Nový výzkum spojuje pokřivení rozsáhlých disků materiálu ve vesmíru se Schrodingerovou rovnicí, která popisuje kvantové mechanické chování atomových a subatomárních objektů.
(Obrázek: © James Tuttle Keane / Kalifornský technologický institut)
Obrovské disky hvězd nebo úlomků mohou pracovat podle stejných pravidel jako subatomické částice, mění se na základě Schrodingerovy rovnice, kterou fyzici používají k modelování kvantově mechanických systémů.
Zkoumání vesmírných struktur pomocí této rovnice může poskytnout nový pohled na vývoj galaxií a odhalit stopy o mechanice rané sluneční soustavy a působení prstenců kroužících ve vzdálených planetách.
Kalifornský technologický vědec Konstantin Batygin, autor nové studie, neočekával, že při studiu těchto astrofyzikálních disků najde tuto konkrétní rovnici. „Tehdy jsem byl úplně na podlahu,“ řekl Batygin Space.com. "Čekal jsem, že se objeví pravidelná vlnová rovnice, něco jako vlna struny nebo něco takového. A místo toho dostanu tuto rovnici, která je opravdu základním kamenem kvantové mechaniky." [Disk 'Flying Saucer' Disk pro vytváření planet je překvapivě v pohodě (Video)]
Pomocí Schrodingerovy rovnice mohou fyzici interpretovat interakce systémů na atomové a subatomické stupnici z hlediska vln a částic - klíčový koncept v kvantové mechanice, který popisuje někdy neintuitivní chování těchto systémů. Ukázalo se, že deformace astrofyzikálních disků mohou fungovat také jako částice.
"Při pohledu zpětně, když se nyní podívám na problém, jsem překvapený, jak jsem jen nehádal, že to bude to, co to bude," řekl Batygin, který je možná nejlépe známý (stejně tak laikům) autor studie 2016 s kolegou vědcem Caltech Mikeem Brownem, který našel důkazy o možném neobjeveném „Planet Nine“ v temných hlubinách naší vnější sluneční soustavy.
Výbuch z minulosti
Batygin narazil na spojení při výuce třídy. Snažil se vysvětlit, jak vlny cestují širokými disky, které jsou základem vesmírné architektury - například takové disky jsou postaveny z hvězd kolem supermasivních černých děr ve středu galaxie a z prachu a trosek v novorozené hvězdné soustavě. Disky se ohýbají a deformují komplexním způsobem, který současné modelování nedokáže zvládnout ve všech časových řadách. Vědci mohou vypočítat své činnosti za velmi krátké časové rozpětí, jako například to, co se děje během několika oběžných drah, a také jak se budou rozptýlit po celý život, ale ne jak a proč se změní v řádu stovek tisíc let.
"Mohlo by se stát, že ani nevíte proč - je to komplikovaný systém, takže vidíte jen věci, které se odvíjejí, vidíte nějaký dynamický vývoj," řekl Batygin. "Pokud nemáte tak strašně komplikovanou fyzickou intuici, nechápete, co se děje ve vaší simulaci."
Aby sledoval vývoj disku, vypůjčil si Batygin trik ze sedmdesátých let: výpočet způsobu, jakým matematici Joseph-Louis Lagrange a Pierre-Simon Laplace modelovali sluneční soustavu jako sérii obřích smyček sledujících oběžné dráhy planet. Zatímco model nepomohl na krátkých časových úsecích několika okruhů kolem Slunce, mohl přesně znázorňovat vzájemné interakce oběžné dráhy v průběhu času.
Místo modelování oběžných drah jednotlivých planet použil Batygin řadu tenčích a tenčích prstenů k reprezentaci různých kusů astrofyzikálního disku, jako jsou vrstvy cibule, z nichž každá je vázána na hmotu oběžných těl v této oblasti. Gravitační interakce prstenů mohli spolu modelovat, jak by se disk deformoval a měnil.
A když byl systém příliš komplikovaný na výpočet rukou nebo na počítači, když přidal další prsteny, použil matematickou zkratku k převodu na popis nekonečného počtu nekonečně tenkých prstenů.
"Je to jen široce známý matematický výsledek, který se používá ve fyzice doleva a doprava," řekl Batygin. Ale přesto nějakým způsobem nikdo nepřišel k tomu, aby takto vytvořil astrofyzikální disk.
„Co je pro mě opravdu pozoruhodné, je to, že nikdo nikdy nezaznamenal prsteny do kontinua,“ řekl. "V retrospektivě to vypadá tak zjevně a nevím, proč jsem na to nemyslel dříve."
Když Batygin procházel těmito výpočty, zjistil, že vznikající rovnice je překvapivě známá.
„Samozřejmě, že tyto dva spolu souvisí, že? V kvantové mechanice považujete částice za vlny,“ řekl. "Při pohledu zpětně je to téměř intuitivní, že byste měli získat něco jako Schrodingerovu rovnici, ale v té době jsem byl opravdu překvapen." Rovnice se objevila nečekaně předtím, dodal - například v popisech oceánských vln a způsobu, jakým se světlo pohybuje přes určitá nelineární média.
„Můj výzkum ukazuje, že dlouhodobé chování astrofyzikálních disků, způsob, jakým se ohýbají a deformují, se připojuje k této skupině klasických kontextů, které lze chápat v podstatě v kvantovém rámci,“ řekl Batygin.
Nové výsledky přinášejí zajímavou analogii mezi těmito dvěma situacemi: Způsob, jakým vlny procházejí astrofyzikálními disky, které se odrážejí od vnitřních a vnějších okrajů, je ekvivalentní tomu, jak se jedna kvantová částice odrazí tam a zpět mezi dvěma stěnami, řekl.
Nalezení této rovnocennosti má jeden zajímavý důsledek: Batygin si mohl vypůjčit část práce, kterou provedli vědci, kteří již tuto kvantovou situaci studovali a pracovali, a poté interpretovat rovnici v tomto novém kontextu, aby pochopil, jak disky reagují na vnější tahy a poruchy.
„Fyzici mají s Schrodingerovou rovnicí spoustu zkušeností; nyní se blíží ke 100 letům,“ řekl Space.com Greg Laughlin, astrofyzik z Yale University, který se studie nezúčastnil. „A hodně jeho hlubokých myšlenek pochopilo její důsledky. A tak, že nyní lze na vývoj disků použít celou budovu.“
"A pro někoho, jako jsem já - kdo sice přiznal lepší, i když nedokonalý, to, co protostelární disky dělají - to také dává příležitost jít jiným způsobem a možná získat hlubší vhled do kvantových systémů pomocí analogie disku," přidané. "Myslím, že to vyvolá spoustu pozornosti a zájmu, pravděpodobně zděšení. A nakonec si myslím, že to bude opravdu zajímavý vývoj."
Rámec porozumění
Batygin se těší na aplikaci rovnice k pochopení mnoha různých aspektů astrofyzikálních disků.
„To, co jsem v tomto příspěvku představil, je rámec,“ řekl Batygin. "Zaútočil jsem na jeden konkrétní problém, kterým je problém rigidity disku - rozsah, v jakém může disk zůstat při gravitačních rigidních podmínkách pod vnějšími poruchami. Momentálně se dívám na širokou škálu dalších aplikací."
Jedním z příkladů je vývoj disku trosek, který nakonec tvořil naši sluneční soustavu, řekl Batygin. Další je dynamika prstenů kolem extrasolárních planet. A třetí je disk hvězd obklopující černou díru ve středu Mléčné dráhy, která je sama o sobě velmi ohnutá.
Laughlin poznamenal, že práce by měla být zvláště užitečná při zlepšování pochopení vědců o novorozených hvězdných systémech, protože je z dálky těžší pozorovat, a vědci v současné době nemohou simulovat svůj vývoj od začátku do konce.
„Matematický rámec, který dal Konstantin dohromady, je dobrým příkladem něčeho, co by nám mohlo skutečně pomoci pochopit, jak se chová objekty, které jsou stovky tisíc oběžných drah, jako je disk vytvářející planetu,“ řekl.
Podle Freda Adamse, astrofyzika na Michiganské univerzitě, který se studie nezúčastnil, je tato nová práce nejužitečnější pro systémy, ve kterých se ruší rozsáhlé gravitační efekty. U systémů s komplikovanějšími gravitačními vlivy, jako jsou galaxie s velmi odlišnými spirálovými rameny, bude zapotřebí další strategie modelování. Ale pro tuto třídu problému je to zajímavá variace na přibližných vlnách astrofyzikálních disků, řekl.
"Výzkum v jakékoli oblasti, včetně oběžných disků, vždy těží z vývoje a používání nových nástrojů," řekl Adams. „Tento dokument představuje vývoj nového analytického nástroje nebo nového zvratu na starších nástrojích v závislosti na tom, jak se na něj díváte. Ať tak či onak, je to další kousek většího puzzle.“
Rámec umožní vědcům pochopit struktury, které astronomové vidí na noční obloze novým způsobem: I když se tyto disky mění v mnohem delších časových úsecích, než si lidé mohou všimnout, lze rovnici použít, aby zjistili, jak se systém dostal do bodu, který vidíme dnes a jak se to může v budoucnu změnit, řekl Batygin. A vše je založeno na matematice, která obvykle popisuje neuvěřitelně rychlé a prchavé interakce.
"Je tu tato zajímavá reciprocita mezi matematikou, která řídí chování subatomického světa, a matematikou, která řídí chování [a] dlouhodobým vývojem těchto astronomických věcí, které se odvíjejí v mnohem, mnohem delších časových řadách," dodal. "Myslím, že to je pozoruhodný a zajímavý důsledek."
Nová práce byla podrobně popsána dnes (5. března) v časopise Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
