23:35 2022-07-06
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ De ce interiorul sistemului solar nu se rotește mai repede? Vechiul mister are o posibilă soluție nouă
_ De ce în interiorul sistemului solar nu se învârte mai repede? Vechiul mister are o posibilă soluție nouă
Mișcarea unui număr mic de particule încărcate poate rezolva un mister de lungă durată despre discuri subțiri de gaz care se rotesc în jurul stelelor tinere, potrivit unui nou studiu de la Caltech.
Aceste caracteristici, numite discuri de acreție, durează zeci de milioane de ani și reprezintă o fază timpurie a evoluției sistemului solar. Conțin o mică parte din masa stelei în jurul căreia se învârtesc; imaginați-vă un inel asemănător lui Saturn la fel de mare ca sistemul solar. Ele sunt numite discuri de acreție deoarece gazul din aceste discuri se învârte încet în interior, spre stea.
Oamenii de știință și-au dat seama cu mult timp în urmă că, atunci când are loc această spirală spre interior, ar trebui să facă ca partea radială interioară a discului să se rotească mai repede, conform legii conservării momentului unghiular. Pentru a înțelege conservarea momentului unghiular, gândiți-vă la patinatorii artistici care se învârt: când brațele lor sunt întinse, se învârt încet, dar pe măsură ce își trag brațele, se învârt mai repede.
Momentul unghiular este proporțional cu viteza înmulțită cu raza. , iar legea conservării momentului unghiular spune că momentul unghiular într-un sistem rămâne constant. Deci, dacă raza patinatorului scade pentru că și-a tras brațele înăuntru, atunci singura modalitate de a menține constant momentul unghiular este creșterea vitezei de rotație.
Mișcarea în spirală spre interior a discului de acreție este asemănătoare unei patinatorul își trage brațele – și, ca atare, partea interioară a discului de acreție ar trebui să se învârtă mai repede. Într-adevăr, observațiile astronomice arată că partea interioară a unui disc de acreție se învârte mai repede. În mod curios, totuși, nu se învârte atât de repede cum a prezis legea conservării momentului unghiular.
De-a lungul anilor, cercetătorii au investigat multe explicații posibile pentru motivul pentru care momentul unghiular al discului de acreție nu este conservat. Unii au crezut că frecarea dintre părțile rotative interioare și exterioare ale discului de acreție ar putea încetini regiunea interioară. Cu toate acestea, calculele arată că discurile de acumulare au frecare internă neglijabilă. Teoria actuală principală este că câmpurile magnetice creează ceea ce se numește o „instabilitate magnetorotațională” care generează gaz și turbulență magnetică – formând efectiv frecare care încetinește viteza de rotație a gazului care se învârte în spirală.
„Asta mă preocupa, „, spune Paul Bellan, profesor de fizică aplicată. „Oamenii vor întotdeauna să învinovăţească turbulenţele pentru fenomene pe care nu le înţeleg. Există o mare industrie de cabană în acest moment care susţine că turbulenţele sunt responsabile pentru eliminarea momentului unghiular din discurile de acreţie.”
Acum un deceniu şi jumătate, Bellan a început să investigheze întrebarea analizând traiectoriile atomilor, electronilor și ionilor individuali din gazul care constituie un disc de acreție. Scopul său a fost să determine modul în care particulele individuale din gaz se comportă atunci când se ciocnesc între ele, precum și cum se mișcă între coliziuni, pentru a vedea dacă pierderea momentului unghiular poate fi explicată fără a invoca turbulența.
Așa cum a explicat de-a lungul anilor într-o serie de lucrări și prelegeri care s-au concentrat pe „primele principii” – comportamentul fundamental al părților constitutive ale discurilor de acreție – particulele încărcate (adică electronii și ionii) sunt afectate atât de gravitație, cât și de câmpurile magnetice. , în timp ce atomii neutri sunt afectați doar de gravitație. Această diferență, bănuia el, era esențială.
Studentul absolvent al Caltech, Yang Zhang, a participat la una dintre aceste discuții după ce a urmat un curs în care a învățat cum să creeze simulări ale moleculelor în timp ce acestea se ciocnesc unele de altele pentru a produce distribuția vitezelor în gazele obișnuite, cum ar fi aerul pe care îl respirăm. „L-am abordat pe Paul după discuție, am discutat despre asta și, în cele din urmă, am decis că simulările ar putea fi extinse la particulele încărcate care se ciocnesc cu particule neutre în câmpurile magnetice și gravitaționale”, spune Zhang.
În cele din urmă, Bellan și Zhang au creat un model de computer al unui disc de acreție virtual care se învârte, foarte subțire. Discul simulat conținea aproximativ 40.000 de particule neutre și aproximativ 1.000 de particule încărcate care se puteau ciocni între ele, iar modelul a luat în considerare și efectele gravitației și ale câmpului magnetic. „Acest model avea exact cantitatea potrivită de detalii pentru a surprinde toate caracteristicile esențiale”, spune Bellan, „pentru că era suficient de mare pentru a se comporta la fel ca trilioane și trilioane de particule neutre, electroni și ioni care se ciocnesc în jurul unei stele într-o formă magnetică. câmp."
Simularea pe computer a arătat că coliziunile dintre atomi neutri și un număr mult mai mic de particule încărcate ar determina ionii încărcați pozitiv, sau cationi, să spiraleze spre centrul discului, în timp ce particulele încărcate negativ ( electroni) spirală spre exterior spre margine. Particulele neutre, între timp, pierd moment unghiular și, la fel ca ionii încărcați pozitiv, spiralează spre interior, spre centru.
O analiză atentă a fizicii subiacente la nivel subatomic - în special, interacțiunea dintre particulele încărcate și câmpuri magnetice — arată că momentul unghiular nu este conservat în sensul clasic, deși ceva numit „momentul unghiular canonic” este într-adevăr conservat.
Momentul unghiular canonic este suma momentului unghiular obișnuit original plus o cantitate suplimentară care depinde de sarcina unei particule și de câmpul magnetic. Pentru particulele neutre, nu există nicio diferență între momentul unghiular obișnuit și momentul unghiular canonic, așa că îngrijorarea cu privire la momentul unghiular canonic este complicată inutil. Dar pentru particulele încărcate - cationi și electroni - momentul unghiular canonic este foarte diferit de momentul unghiular obișnuit, deoarece cantitatea magnetică suplimentară este foarte mare.
Deoarece electronii sunt negativi și cationii sunt pozitivi, mișcarea spre interior a ionii și mișcarea către exterior a electronilor, care sunt cauzate de ciocniri, crește momentul unghiular canonic al ambilor. Particulele neutre pierd moment unghiular ca urmare a ciocnirilor cu particulele încărcate și se deplasează spre interior, ceea ce echilibrează creșterea momentului unghiular canonic al particulelor încărcate.
Este o mică distincție, dar face o diferență uriașă. la scară la nivelul întregului sistem solar, spune Bellan, care susține că această contabilitate subtilă satisface legea conservării momentului unghiular canonic pentru suma tuturor particulelor de pe întregul disc; doar aproximativ una dintr-un miliard de particule trebuie să fie încărcată pentru a explica pierderea observată a momentului unghiular al particulelor neutre.
În plus, spune Bellan, mișcarea spre interior a cationilor și mișcarea către exterior a electronilor are ca rezultat discul devenind ceva asemănător cu o baterie gigantică cu un terminal pozitiv lângă centrul discului și un terminal negativ la marginea discului. O astfel de baterie ar conduce curenții electrici care curg departe de disc atât deasupra cât și sub planul discului. Acești curenți ar alimenta jeturile astrofizice care scapă de pe disc în ambele direcții de-a lungul axei discului. Într-adevăr, avioanele au fost observate de astronomi de peste un secol și se știe că sunt asociate cu discuri de acreție, deși forța din spatele lor a fost de mult un mister.
Lucrul lui Bellan și Yang a fost publicat în The Astrophysical Journal. pe 17 mai.
Comentarii:
Adauga Comentariu