Νέα έρευνα συνδέει τη στρέβλωση δίσκων υλικού μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν με την εξίσωση Schrodinger, η οποία περιγράφει την κβαντική μηχανική συμπεριφορά ατομικών και υποατομικών αντικειμένων.
(Εικόνα: © James Tuttle Keane / Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια)
Τεράστιοι δίσκοι αστεριών ή συντρίμμια μπορούν να λειτουργήσουν με τους ίδιους κανόνες με τα υποατομικά σωματίδια, αλλάζοντας με βάση την εξίσωση Schrodinger, την οποία χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να μοντελοποιήσουν τα κβαντομηχανικά συστήματα.
Η προβολή των διαστημικών δομών με αυτήν την εξίσωση μπορεί να δώσει νέες ιδέες για το πώς εξελίσσονται οι γαλαξίες, καθώς και για να αποκαλυφθούν ενδείξεις σχετικά με τους μηχανισμούς του πρώιμου ηλιακού συστήματος και τη δράση των δακτυλίων που περιβάλλουν τους απομακρυσμένους πλανήτες, αναφέρει μια νέα μελέτη.
Ο ερευνητής του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας Konstantin Batygin, συγγραφέας της νέας μελέτης, δεν περίμενε να βρει τη συγκεκριμένη εξίσωση όταν μελετούσε αυτούς τους αστροφυσικούς δίσκους. "Εκείνη την εποχή, ήμουν εντελώς πατωμένος", δήλωσε ο Batygin στο Space.com. "Περίμενα να εμφανιστεί η κανονική εξίσωση κυμάτων, κάτι σαν το κύμα μιας συμβολοσειράς ή κάτι τέτοιο. Και αντ 'αυτού, παίρνω αυτήν την εξίσωση, η οποία είναι πραγματικά ο ακρογωνιαίος λίθος της κβαντικής μηχανικής." [Ο δίσκος «Flying Saucer» του Planet-Building είναι εκπληκτικά δροσερός (βίντεο)]
Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Schrodinger, οι φυσικοί μπορούν να ερμηνεύσουν τις αλληλεπιδράσεις των συστημάτων σε ατομικές και υποατομικές κλίμακες από την άποψη των κυμάτων καθώς και των σωματιδίων - μια βασική ιδέα στην κβαντομηχανική που περιγράφει μερικές φορές τη διαισθητική συμπεριφορά αυτών των συστημάτων. Αποδεικνύεται ότι η στρέβλωση των αστροφυσικών δίσκων μπορεί επίσης να δρα σαν σωματίδια.
"Αναδρομικά, όταν κοιτάζω το πρόβλημα τώρα, εκπλήσσομαι με το πώς δεν υποθέτω απλώς ότι θα ήταν αυτό", δήλωσε ο Batygin, ο οποίος ίσως είναι πιο γνωστός (ούτως ή άλλως) για γράφοντας μια μελέτη του 2016 με τον συνάδελφο ερευνητή του Caltech, Mike Brown, που βρήκε στοιχεία για πιθανό μη ανακαλυφθέντα "Planet Nine" στα σκοτεινά βάθη του εξωτερικού μας ηλιακού συστήματος.
Αναμνήσεις απ'το παρελθόν
Ο Batygin βρήκε τη σύνδεση όταν δίδαξε μια τάξη. Προσπαθούσε να εξηγήσει πώς τα κύματα ταξιδεύουν μέσα από τους μεγάλους δίσκους που αποτελούν βασικό στοιχείο της διαστημικής αρχιτεκτονικής - για παράδειγμα, τέτοιοι δίσκοι είναι κατασκευασμένοι από αστέρια γύρω από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο ενός γαλαξία και είναι κατασκευασμένοι από σκόνη και συντρίμμια σε ένα νεογέννητο σύστημα αστεριών. Οι δίσκοι λυγίζουν και στρεβλώνουν με πολύπλοκο τρόπο που η τρέχουσα μοντελοποίηση δεν μπορεί να χειριστεί σε όλα τα χρονικά διαστήματα. Οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν τις ενέργειές τους σε πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα, όπως αυτό που συμβαίνει σε μερικές τροχιές, καθώς και πώς θα διασκορπιστούν σε μια ολόκληρη διάρκεια ζωής, αλλά όχι πώς και γιατί θα αλλάξουν με τη σειρά εκατοντάδων χιλιάδων ετών.
"Τα πράγματα μπορεί να συμβούν και δεν ξέρετε πραγματικά γιατί - είναι ένα περίπλοκο σύστημα, οπότε βλέπετε απλώς να ξεδιπλώνονται πράγματα, να βλέπετε κάποιο είδος δυναμικής εξέλιξης", δήλωσε ο Batygin. "Αν δεν έχετε αυτήν την τεράστια περίπλοκη φυσική διαίσθηση, απλά δεν καταλαβαίνετε τι συμβαίνει στην προσομοίωσή σας."
Για να παρακολουθήσει την ανάπτυξη ενός δίσκου, ο Batygin δανείστηκε ένα τέχνασμα από τη δεκαετία του 1770: υπολογίζοντας τον τρόπο με τον οποίο οι μαθηματικοί Joseph-Louis Lagrange και Pierre-Simon Laplace μοντελοποίησαν το ηλιακό σύστημα ως μια σειρά γιγαντιαίων βρόχων ακολουθώντας τις τροχιές των πλανητών. Ενώ το μοντέλο δεν ήταν χρήσιμο σε σύντομα χρονικά διαστήματα μερικών κυκλωμάτων γύρω από τον ήλιο, θα μπορούσε να απεικονίσει με ακρίβεια τις αλληλεπιδράσεις των τροχιών μεταξύ τους με την πάροδο του χρόνου.
Αντί να μοντελοποιήσει τις τροχιές των μεμονωμένων πλανητών, ο Batygin χρησιμοποίησε μια σειρά λεπτότερων και λεπτότερων δακτυλίων για να αντιπροσωπεύσει διαφορετικά κομμάτια του αστροφυσικού δίσκου, όπως στρώματα κρεμμυδιού, το καθένα δεμένο με τη μάζα των τροχιακών σωμάτων εντός αυτής της περιοχής. Οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις των δαχτυλιδιών το ένα με το άλλο θα μπορούσε να μοντελοποιήσει πώς ο δίσκος θα παραμορφωθεί και θα αλλάξει.
Και όταν το σύστημα έγινε πολύ περίπλοκο για να υπολογίσει με το χέρι ή στον υπολογιστή καθώς πρόσθεσε περισσότερους δακτυλίους, χρησιμοποίησε μια μαθηματική συντόμευση για να μετατρέψει στην περιγραφή ενός άπειρου αριθμού απείρως λεπτών δακτυλίων.
"Αυτό είναι απλώς ένα ευρέως γνωστό μαθηματικό αποτέλεσμα που χρησιμοποιείται στη φυσική αριστερά και δεξιά", δήλωσε ο Batygin. Ωστόσο, με κάποιο τρόπο, κανείς δεν είχε κάνει το άλμα για να διαμορφώσει έναν αστροφυσικό δίσκο με αυτόν τον τρόπο.
«Αυτό που είναι πραγματικά αξιοσημείωτο για μένα είναι ότι κανείς δεν έχει θολώσει [τα δαχτυλίδια] σε συνέχεια πριν», είπε. "Φαίνεται τόσο προφανές αναδρομικά, και δεν ξέρω γιατί δεν το σκέφτηκα νωρίτερα."
Όταν ο Batygin πέρασε αυτούς τους υπολογισμούς, βρήκε την αναδυόμενη εξίσωση εκπληκτικά οικεία.
"Φυσικά, τα δύο σχετίζονται, σωστά; Στην κβαντική μηχανική, αντιμετωπίζετε τα σωματίδια ως κύματα", είπε. "Αναδρομικά, είναι σχεδόν διαισθητικό ότι θα πρέπει να έχετε κάτι σαν την εξίσωση Schrodinger, αλλά εκείνη την εποχή, πραγματικά εκπλήξακα πραγματικά." Η εξίσωση εμφανίστηκε απροσδόκητα στο παρελθόν, πρόσθεσε - σε περιγραφές των κυμάτων του ωκεανού, για παράδειγμα, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο το φως κινείται μέσω ορισμένων μη γραμμικών μέσων.
"Αυτό που δείχνει η έρευνά μου είναι ότι η μακροχρόνια συμπεριφορά των αστροφυσικών δίσκων, ο τρόπος με τον οποίο λυγίζουν και στρεβλώνουν, ενώνει αυτήν την ομάδα κλασικών πλαισίων που μπορούν να γίνουν κατανοητές σε ένα ουσιαστικά κβαντικό πλαίσιο", δήλωσε ο Batygin.
Τα νέα αποτελέσματα δημιουργούν μια ενδιαφέρουσα αναλογία μεταξύ των δύο καταστάσεων: Ο τρόπος με τον οποίο τα κύματα ταξιδεύουν μέσω αστροφυσικών δίσκων, που αναπηδούν από τις εσωτερικές και εξωτερικές άκρες, ισοδυναμεί με το πώς ένα μόνο κβαντικό σωματίδιο αναπηδά μεταξύ των δύο τοίχων, είπε.
Η εύρεση αυτής της ισοδυναμίας έχει μια ενδιαφέρουσα συνέπεια: Ο Batygin μπόρεσε να δανειστεί μέρος της εργασίας που πραγματοποιήθηκε από ερευνητές που έχουν ήδη μελετήσει και εργαστεί σε αυτήν την κβαντική κατάσταση εκτενώς, και στη συνέχεια ερμηνεύει την εξίσωση σε αυτό το νέο πλαίσιο για να καταλάβει πώς οι δίσκοι ανταποκρίνονται σε εξωτερικά τραβήγματα και διαταραχές.
"Οι φυσικοί έχουν πολλή εμπειρία με την εξίσωση Schrodinger. Εμφανίζεται σε ηλικία 100 ετών τώρα", δήλωσε ο Greg Laughlin, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Και πολλή βαθιά σκέψη έχει κατανοήσει τις επιπτώσεις της. Και έτσι ώστε ολόκληρο το οικοδόμημα τώρα να μπορεί να εφαρμοστεί στην εξέλιξη των δίσκων."
"Και για κάποιον σαν εμένα - ο οποίος έχει ομολογουμένως μια καλύτερη αίσθηση, αν και ατελής, για το τι κάνουν οι πρωτότυποι δίσκοι - αυτό δίνει επίσης την ευκαιρία να πάει προς την αντίθετη κατεύθυνση και ίσως να πάρει κάποια βαθύτερη εικόνα των κβαντικών συστημάτων χρησιμοποιώντας την αναλογία δίσκων", προστέθηκε. "Νομίζω ότι πρόκειται να προκαλέσει μεγάλη προσοχή και ενδιαφέρον, πιθανώς ανησυχία. Και τελικά νομίζω ότι πρόκειται να είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα εξέλιξη."
Ένα πλαίσιο κατανόησης
Ο Batygin προσβλέπει στην εφαρμογή της εξίσωσης για την κατανόηση πολλών διαφορετικών πτυχών των αστροφυσικών δίσκων.
"Αυτό που έχω παρουσιάσει σε αυτό το έγγραφο είναι ένα πλαίσιο", δήλωσε ο Batygin. "Έχω επιτεθεί σε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα, το οποίο είναι το πρόβλημα της ακαμψίας του δίσκου - ο βαθμός στον οποίο ο δίσκος μπορεί να παραμείνει βαρυτικά άκαμπτος υπό εξωτερικές διαταραχές. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα πρόσθετων εφαρμογών που εξετάζω αυτήν τη στιγμή."
Ένα παράδειγμα είναι η εξέλιξη του δίσκου των συντριμμιών που τελικά σχημάτισε το ηλιακό μας σύστημα, δήλωσε ο Batygin. Ένα άλλο είναι η δυναμική των δακτυλίων γύρω από τους εξωηλιακούς πλανήτες. Και το ένα τρίτο είναι ο δίσκος των αστεριών που περιβάλλουν τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία, ο οποίος είναι πολύ λυγισμένος.
Ο Laughlin σημείωσε ότι η εργασία θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη βελτίωση της κατανόησης των ερευνητών για τα συστήματα νεογέννητων αστεριών, επειδή είναι πιο δύσκολο να παρατηρηθούν από μακριά, και οι ερευνητές προς το παρόν δεν μπορούν να προσομοιώσουν την ανάπτυξή τους από την αρχή έως το τέλος.
"Το μαθηματικό πλαίσιο που έχει συνθέσει ο Κωνσταντίνος είναι ένα καλό παράδειγμα κάτι που μπορεί πραγματικά να μας βοηθήσει να καταλάβουμε πώς συμπεριφέρονται αντικείμενα ηλικίας εκατοντάδων χιλιάδων τροχιών, όπως ένας δίσκος που σχηματίζει πλανήτες", είπε.
Σύμφωνα με τον Fred Adams, έναν αστροφυσικό στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που δεν συμμετείχε στη μελέτη, αυτή η νέα εργασία είναι πιο χρήσιμη για συστήματα στα οποία ακυρώνονται τα αποτελέσματα μεγάλης κλίμακας. Για συστήματα με πιο περίπλοκες βαρυτικές επιρροές, όπως γαλαξίες με πολύ διακριτούς σπειροειδείς βραχίονες, θα χρειαστεί κάποια άλλη στρατηγική μοντελοποίησης. Αλλά για αυτήν την κατηγορία προβλημάτων, είναι μια ενδιαφέρουσα παραλλαγή στην προσέγγιση των κυμάτων στους αστροφυσικούς δίσκους, είπε.
"Η έρευνα σε οποιονδήποτε τομέα, συμπεριλαμβανομένων των περιστασιακών δίσκων, ωφελείται πάντα από την ανάπτυξη και τη χρήση νέων εργαλείων", δήλωσε ο Adams. "Αυτό το έγγραφο αντιπροσωπεύει την ανάπτυξη ενός νέου εργαλείου ανάλυσης ή μια νέα συστροφή σε παλαιότερα εργαλεία, ανάλογα με το πώς το κοιτάζετε. Σε κάθε περίπτωση, είναι ένα άλλο κομμάτι του μεγαλύτερου παζλ."
Το πλαίσιο θα επιτρέψει στους ερευνητές να κατανοήσουν τις δομές που βλέπουν οι αστρονόμοι στον νυχτερινό ουρανό με νέο τρόπο: Ενώ αυτοί οι δίσκοι αλλάζουν σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες από ό, τι μπορούν να παρατηρήσουν οι άνθρωποι, η εξίσωση μπορεί να εφαρμοστεί για να καταλάβουμε πώς ένα σύστημα έφτασε στο σημείο που βλέπουμε σήμερα και πώς μπορεί να αλλάξει στο μέλλον, είπε ο Batygin. Και όλα βασίζονται σε μαθηματικά που συνήθως περιγράφουν απίστευτα γρήγορες, φευγαλέες αλληλεπιδράσεις.
"Υπάρχει αυτή η ενδιαφέρουσα αμοιβαιότητα μεταξύ των μαθηματικών που διέπουν τη συμπεριφορά του υποατομικού κόσμου και των μαθηματικών που διέπουν τη συμπεριφορά [και] τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη αυτών των αστρονομικών πραγμάτων που ξεδιπλώνονται σε πολύ, πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα", πρόσθεσε. "Αυτό, νομίζω, είναι μια αξιοσημείωτη και ενδιαφέρουσα συνέπεια."
Το νέο έργο αναλύθηκε σήμερα (5 Μαρτίου) στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
