Az új kutatás összekapcsolja a nagy léptékű anyagtárcsák eldobását az univerzumban a Schrodinger-egyenlettel, amely az atomi és szubatomos tárgyak kvantummechanikai viselkedését írja le.
(Kép: © James Tuttle Keane / Kaliforniai Technológiai Intézet)
A hatalmas csillag- vagy törmeléklemezek ugyanolyan szabályok szerint működhetnek, mint a szubatomi részecskék, változva a Schrodinger-egyenlet alapján, amelyet a fizikusok használnak a kvantummechanikai rendszerek modellezésére.
Az űrstruktúrák ezen egyenlettel történő megfigyelése új betekintést nyújthat a galaxisok fejlõdéséhez, valamint a korai Naprendszer mechanikájáról és a távoli bolygók körüli körgyûrûk működésével kapcsolatos utalásokról fedhet fel új kutatást.
Konstantin Batygin, a Kaliforniai Technológiai Intézet kutatója, az új tanulmány szerzője nem számított arra, hogy megtalálja az adott egyenletet ezen asztrofizikai lemezek tanulmányozásakor. "Abban az időben teljesen padlózatban voltam" - mondta Batygin a Space.com-nak. "Vártam, hogy megjelenik a szabályos hullámagyenlet, olyasmi, mint egy húr hulláma, vagy ilyesmi. Ehelyett megkapom ezt az egyenletet, amely valóban a kvantummechanika sarokköve." [A bolygót építő 'Repülő csészealj' lemez meglepően jó (videó)
A Schrodinger-egyenlet alkalmazásával a fizikusok értelmezhetik az atom- és szubatomi skálán lévı rendszerek kölcsönhatásait hullámok és részecskék szempontjából - ez a kvantummechanika kulcsfontosságú fogalma, amely leírja a rendszerek néha intuitív viselkedését. Kiderült, hogy az asztrofizikai korongok elvesztése részecskékként is viselkedhet.
"Visszatekintve, amikor most megvizsgálom a problémát, meglepő vagyok, hogy nem csak azt sejtettem, hogy erről lesz szó" - mondta Batygin, akit talán a legismertebb (a laikusoknak mindenesetre) a társak 2016-os tanulmány készítése Mike Brown, a caltech kutató munkatársával, amely bizonyítékot talált egy lehetséges felfedezetlen "Kilenc bolygó" számára a külső Naprendszerünk sötét mélyén.
Robbanás a múltból
Batygin szembesült a kapcsolattal, amikor egy osztályt tanított. Megpróbálta elmagyarázni, hogy a hullámok miként haladnak át a széles tárcsákon, amelyek az űrszerkezet legfontosabb elemei - például az ilyen lemezek csillagokból épülnek fel a galaxis közepén lévő szupermasszív fekete lyukak körül, és porból és törmelékből készülnek egy újszülött csillagrendszerben. A tárcsák összetett módon hajlanak és vetemednek, amit a jelenlegi modellezés nem képes kezelni minden időben. A tudósok kiszámíthatják cselekedeteiket nagyon rövid időtartamon keresztül, például az, hogy mi történik néhány pályán, és hogyan fognak szétszóródni egy teljes élettartam alatt, de nem tudják, hogyan és miért változnak ezer évszázadok szerint.
"Előfordulhat, hogy történnek dolgok, és nem igazán tudja, miért - ez egy bonyolult rendszer, tehát csak látni kell a dolgok kibontakozását, látni, hogy valamilyen dinamikus fejlődés kibontakozik" - mondta Batygin. "Ha nincs ilyen szörnyen bonyolult fizikai intuíciója, akkor csak nem érti meg, mi folyik a szimulációban."
A lemez fejlődésének nyomon követése érdekében Batygin trükk vett egy 1770-es évekből: kiszámítva, hogy a matematikusok, Joseph-Louis Lagrange és Pierre-Simon Laplace hogyan modellezték a Naprendszert, mint egy hatalmas hurok sorozatát, amely követi a bolygók keringéseit. Bár a modell nem volt hasznos néhány nap körüli kör rövid idõtartamára, pontosan ábrázolhatja a pályák egymással való kölcsönhatásait az idõ alatt.
Az egyes bolygók pályájának modellezése helyett Batygin egy vékonyabb és vékonyabb gyűrűsorozatot használt az asztrofizikai korong különböző darabjainak bemutatására, mint például egy hagyma rétegei, amelyek mindegyike a régió körüli keringő testek tömegéhez kapcsolódik. A gyűrűk gravitációs kölcsönhatása egymással modellezhette, hogy a lemez megvetemedjen és megváltozzon.
És amikor a rendszer túlságosan bonyolult lett a kézi vagy a számítógépes számításhoz, mivel további gyűrűket adott hozzá, egy matematikai parancsikont használt a végtelen számú végtelenül vékony gyűrűk leírására való konvertáláshoz.
"Ez csak egy széles körben ismert matematikai eredmény, amelyet bal és jobb oldalon használnak a fizikában" - mondta Batygin. De mégis valahogy senki sem tette meg az ugrást, hogy ilyen módon modellezzen egy asztrofizikai lemezt.
"Ami számomra igazán figyelemre méltó, hogy soha senki nem homályosította el a gyűrűt kontinuummá" - mondta. "Visszatekintve olyan nyilvánvalónak tűnik, és nem tudom, miért nem gondoltam rá hamarosan."
Amikor Batygin elvégezte ezeket a számításokat, meglepően ismerősnek találta a kialakuló egyenletet.
"Természetesen a kettő kapcsolatban áll, igaz? A kvantummechanikában a részecskéket hullámként kezeli" - mondta. "Visszatekintve egyfajta szinte intuitív, hogy valami olyasmit szerezzünk, mint a Schrodinger-egyenlet, de akkoriban valóban igazán meglepett voltam." Az egyenlet váratlanul felbukkant korábban, tette hozzá - például az óceánhullámok leírására, valamint arra, hogy a fény hogyan mozog bizonyos nemlineáris közegeken.
"A kutatásom azt igazolja, hogy az asztrofizikai korongok hosszú távú viselkedése, a hajlításuk és elhajlásuk módja, csatlakozik ehhez a klasszikus kontextuscsoporthoz, amelyet alapvetően kvantumkeretben lehet megérteni" - mondta Batygin.
Az új eredmények érdekes analógiát hoznak fel a két helyzet között: A hullámok útja az asztrofizikai korongokon, a belső és a külső szélektől visszapattant, egyenértékű azzal, hogy egy kvantum részecske oda-vissza ugrál a két fal között - mondta.
Ennek az egyenértékűségnek a megtalálása érdekes következménye: Batygin kölcsön tudta kölcsönözni azon kutatók munkájának egy részét, akik már ezt a kvantumhelyzetet már tanulmányozták és áttekintették, majd az új összefüggésben értelmezte az egyenletet, hogy megértse, hogyan reagálnak a lemezek a külső húzásokra zavarások.
"A fizikusok nagyon sok tapasztalattal rendelkeznek a Schrodinger-egyenlettel; ez most 100 éves lesz." - mondta Greg Laughlin, a Yale Egyetem asztrofizikusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. "És sok nagyon mély gondolat ment rá annak következményeire. És így az egész épület most alkalmazható a lemezek evolúciójára."
"És olyannak, mint én - akinek nyilvánvalóan jobb megértése, bár tökéletlen - arról, hogy mit tesz a csillagszóró lemezek" - ez lehetőséget ad arra is, hogy másik irányba menjen, és talán mélyebb betekintést nyerjen a kvantumrendszerekbe a lemez analógia segítségével "- mondta. hozzá. "Azt hiszem, hogy sok figyelmet és érdeklődést keltsen fel, valószínűleg megrémülve. És végül azt gondolom, hogy ez egy igazán érdekes fejlesztés lesz."
A megértés kerete
Batygin várja az egyenlet alkalmazását az asztrofizikai lemezek sokféle szempontjának megértésére.
"Amit ebben a cikkben ismertettem, az egy keretet jelent" - mondta Batygin. "Megtámadtam egy olyan speciális problémát, amely a lemez merevségének problémája - hogy a lemez mennyire képes gravitációs szempontból mereven maradni külső zavarok alatt. További kiegészítő alkalmazások széles választéka van, amelyeket jelenleg vizsgálok."
Példa erre a törmelék lemezének alakulása, amely végül a naprendszerünket képezte - mondta Batygin. Másik lehetőség az ekstrasoláris bolygók körüli gyűrűk dinamikája. És egy harmadik a csillagok korongja, amely a Tejút közepén fekszik a fekete lyuk körül, amely maga is nagyon meghajlott.
Laughlin megjegyezte, hogy a munkanak különösen ahhoz kell segítenie, hogy javítsa a kutatók megértését az újszülött csillagrendszerekről, mivel ezeket távolról nehezebb megfigyelni, és a kutatók jelenleg nem képesek szimulálni fejlődésüket az elejétől a végéig.
"A Konstantin által összeállított matematikai keret jó példa erre, ami valóban segíthet nekünk megérteni, hogyan viselkednek a százezrek körül keringő objektumok, mint például egy bolygóképző korong" - mondta.
Fred Adams, a Michigan-i Egyetem asztrofizikusa szerint, aki nem vett részt a tanulmányban, ez az új munka a leghasznosabb azokban a rendszerekben, amelyekben a nagyszabású gravitációs hatások megszűnnek. Bonyolultabb gravitációs hatásokkal rendelkező rendszerek esetén, mint például a nagyon különálló spirális karokkal rendelkező galaxisok, valamilyen más modellezési stratégiára lesz szükség. De a probléma ezen osztályához érdekes variáció van az asztrofizikai lemezek közelítő hullámaihoz - mondta.
"Bármely területen végzett kutatás, beleértve a körkörös lemezeket is, mindig előnyös az új eszközök fejlesztésében és használatában" - mondta Adams. "Ez a cikk egy új elemző eszköz kifejlesztését, vagy egy újabb csavart a régebbi eszközök kifejlesztését mutatja, attól függően, hogyan nézel rá. Akárhogy is, ez a nagyobb puzzle újabb darabja."
A keret lehetővé teszi a kutatók számára, hogy újból megértsék azokat a szerkezeteket, amelyeket az csillagászok az éjszakai égbolton látnak: Míg ezek a lemezek sokkal hosszabb időtartamon változnak, mint az emberek megfigyelhetik, az egyenlet alkalmazható arra, hogy kitaláljuk, hogyan jutott egy rendszer a látott pontra. ma és hogyan változhat a jövőben - mondta Batygin. És mindez a matematikán alapszik, amely általában hihetetlenül gyors, átmeneti interakciókat ír le.
"Ez az érdekes viszonosság a matematika, amely az szubatómiai világ viselkedését szabályozza, és a matematika, amely szabályozza ezen csillagászati dolgok viselkedését [és] a hosszú távú fejlődését, amelyek sokkal, sokkal hosszabb időkereten mutatkoznak be" - tette hozzá. "Azt hiszem, hogy figyelemre méltó és érdekes következménye."
Az új munkát ma (március 5-én) részletezték a Havi Értesítések a Királyi Csillagászati Társaság folyóiratban.
