Jauni pētījumi saista liela mēroga materiāla disku deformāciju Visumā ar Šrodingera vienādojumu, kas apraksta atomu un subatomisko objektu kvantu mehānisko izturēšanos.
(Attēls: © Džeimss Tuttle Keane / Kalifornijas Tehnoloģiju institūts)
Milzīgi zvaigžņu vai gružu diski var darboties saskaņā ar tiem pašiem noteikumiem kā subatomiskās daļiņas, mainoties, pamatojoties uz Šrodingera vienādojumu, ko fiziķi izmanto, lai modelētu kvantu-mehāniskās sistēmas.
Kosmosa struktūru aplūkošana ar šo vienādojumu var sniegt jaunu ieskatu galaktiku attīstībā, kā arī atklāt norādes par agrīnās Saules sistēmas mehāniku un tālu planētas riņķojošo gredzenu darbību, ziņo jauns pētījums.
Jaunā pētījuma autors Kalifornijas Tehnoloģiju institūta pētnieks Konstantīns Batygins, pētot šos astrofiziskos diskus, nebija gaidījis, ka atradīs šo vienādojumu. "Tajā laikā es biju pilnībā uz grīdas," Batygin pastāstīja Space.com. "Es gaidīju, ka parādīsies parastais viļņu vienādojums, kaut kas līdzīgs virknes vilnim vai kaut kas tamlīdzīgs. Un tā vietā es saņemu šo vienādojumu, kas patiešām ir kvantu mehānikas stūrakmens." [Planētas veidojošais 'Flying Saucer' disks ir pārsteidzoši foršs (Video)]
Izmantojot Šrodingera vienādojumu, fiziķi var interpretēt sistēmu mijiedarbību atomu un subatomiskajā mērogā gan viļņu, gan daļiņu izteiksmē - tas ir kvantu mehānikas pamatkoncepcija, kas apraksta šo sistēmu dažkārt neintuitīvo uzvedību. Izrādās, arī astrofizisko disku deformācija var rīkoties kā daļiņas.
"Retrospektīvi, kad es tagad aplūkoju problēmu, esmu pārsteigts par to, kā es ne tikai uzminēju, ka tieši tā tas arī būs," sacīja Batygin, kurš, iespējams, ir vispazīstamākais (vienalga cilvēkiem), kas līdzdarbojas autorējot 2016. gada pētījumu ar kolēģi Caltech pētnieku Maiku Braunu, kas atrada pierādījumus par iespējamu neatklātu "Planētas deviņu" mūsu ārējās Saules sistēmas tumšajos dziļumos.
Sprādziens no pagātnes
Batygin saskārās ar šo savienojumu, mācot klasi. Viņš mēģināja izskaidrot, kā viļņi pārvietojas pa plašajiem diskiem, kas ir kosmosa arhitektūras pamatakmens - piemēram, šādi diski ir veidoti no zvaigznēm ap supermasīvajiem melnajiem caurumiem galaktikas centrā un izgatavoti no putekļiem un gružiem jaundzimušo zvaigžņu sistēmā. Diski saliecas un deformējas sarežģītā veidā, ko pašreizējā modelēšana nespēj izturēt visos laika periodos. Zinātnieki var aprēķināt savas darbības ļoti īsā laika posmā, piemēram, tas, kas notiek dažās orbītās, kā arī to, kā tās izkliedēsies visā dzīves laikā, bet ne to, kā un kāpēc tās mainīsies pēc simtiem tūkstošu gadu.
"Var notikt lietas, un jūs īsti nezināt, kāpēc - tā ir sarežģīta sistēma, tāpēc jūs vienkārši redzat, kā sīkumi izvēršas, redzat, kā notiek dinamiska evolūcija," sacīja Batygin. "Ja vien jums nav šīs ārkārtīgi sarežģītās fiziskās intuīcijas, jūs vienkārši nesaprotat, kas notiek jūsu simulācijā."
Lai sekotu diska attīstībai, Batjigins aizņēmās triku no 1770. gadiem: aprēķinot, kā matemātiķi Džozefs-Luiss Lagranžs un Pjērs-Saimons Laplass modelēja Saules sistēmu kā milzu cilpu virkni, kas seko planētas orbītām. Kaut arī modelis nebija noderīgs īsos dažu apļveida apļu laika periodos, tas laika gaitā varēja precīzi attēlot orbītu mijiedarbību savā starpā.
Tā vietā, lai modelētu atsevišķas planētas orbītas, Batjigins izmantoja plānāku un plānāku gredzenu virkni, lai attēlotu dažādus astrofiziskā diska gabalus, piemēram, sīpolu slāņus, un katrs no tiem ir piesaistīts apkārt esošajām orbītā esošo ķermeņu masai. Gredzenu gravitācijas mijiedarbība viens ar otru varētu modelēt, kā disks deformējas un mainās.
Kad sistēma kļuva pārāk sarežģīta, lai to aprēķinātu ar roku vai datoru, jo viņš pievienoja vairāk gredzenu, viņš izmantoja matemātisku saīsni, lai pārveidotu, aprakstot bezgalīgu skaitu bezgala plānas gredzenu.
"Tas ir tikai plaši pazīstams matemātiskais rezultāts, ko izmanto fizikā pa kreisi un pa labi," sacīja Batygin. Bet tomēr kaut kā neviens nebija spējis šādā veidā modelēt astrofizisko disku.
"Kas man patiešām ir ievērojams, ir tas, ka neviens vēl nekad nav sapludinājis [gredzenus] kontinuumā," viņš teica. "Retrospektīvi tas šķiet tik acīmredzami, un es nezinu, kāpēc es par to nedomāju ātrāk."
Kad Batygin veica šos aprēķinus, viņš atklāja topošo vienādojumu pārsteidzoši pazīstamu.
"Protams, abi ir savstarpēji saistīti, vai ne? Kvantu mehānikā jūs uztverat daļiņas kā viļņus," viņš teica. "Atskatoties, tas ir gandrīz intuitīvi, ka jums vajadzētu iegūt kaut ko līdzīgu Šrodingera vienādojumam, bet tajā laikā es tiešām biju patiesi pārsteigts." Vienādojums ir parādījies negaidīti iepriekš, viņš piebilda, piemēram, aprakstot okeāna viļņus, kā arī to, kā gaisma pārvietojas caur noteiktiem nelineāriem medijiem.
"Tas, ko pierāda mans pētījums, ir tāds, ka astrofizisko disku ilgtermiņa izturēšanās, tas, kādā veidā tie saliecas un deformējas, pievienojas šai klasisko kontekstu grupai, kuru var saprast būtībā kvantu sistēmā," sacīja Batygin.
Jaunie rezultāti rada interesantu analoģiju starp abām situācijām: Viļņu pārvietošanās pa astrofiziskajiem diskiem, atlecot no iekšējās un ārējās malas, ir līdzvērtīga tam, kā viena kvantu daļiņa atlec uz priekšu un atpakaļ starp divām sienām, viņš teica.
Šīs ekvivalences atrašanai ir vienas interesantas sekas: Batjigins spēja aizņemties daļu no darbu, ko veikuši pētnieki, kuri jau ir izpētījuši un plaši izpētījuši šo kvantu situāciju, un pēc tam interpretē vienādojumu šajā jaunajā kontekstā, lai saprastu, kā diski reaģē uz ārēju pievilkšanu un perturbācijas.
"Fizikiem ir liela pieredze ar Šrodingera vienādojumu; tas nāk jau pēc 100 gadu vecuma," Space.com pastāstīja Jēlas universitātes astrofiziķis Gregs Lavenlins, kurš nebija iesaistīts pētījumā. "Un ļoti daudz dziļu domu ir iedziļinājusies tās seku izprašanā. Un tā, ka visu ēku tagad var izmantot disku evolūcijā."
"Un kādam citam kā man - kuram, protams, ir labāka izpratne par to, ko dara pirmžvaigžņu diski, kaut arī tas ir nepilnīgs - tas arī dod iespēju iet citu ceļu un varbūt iegūt dziļāku ieskatu kvantu sistēmās, izmantojot diska analoģiju," viņš pievienots. "Es domāju, ka tas izraisīs lielu uzmanību un interesi, iespējams, sašutumu. Un galu galā es domāju, ka tā būs patiešām interesanta attīstība."
Saprašanās ietvars
Batygin cer izmantot vienādojumu, lai izprastu daudzas astrofizisko disku šķautnes.
"Tas, ko es šajā dokumentā esmu iesniedzis, ir ietvars," sacīja Batygin. "Es esmu uzbrucis vienai ar to saistītai problēmai, kas ir diska stingrības problēma - tas, cik lielā mērā disks var palikt gravitācijas ziņā stingrs zem ārējām perturbācijām. Šobrīd ir plašs papildu lietojumu klāsts."
Viens piemērs ir gružu diska evolūcija, kas galu galā veidoja mūsu Saules sistēmu, sacīja Batygin. Vēl viena ir gredzenu dinamika ap ekstrasolārajām planētām. Un trešais ir zvaigžņu disks, kas ieskauj melno caurumu Piena ceļa centrā, kurš pats ir ļoti saliekts.
Laughlin atzīmēja, ka šim darbam vajadzētu būt īpaši noderīgam, lai uzlabotu pētnieku izpratni par jaundzimušo zvaigžņu sistēmām, jo tos ir grūtāk novērot no tālienes, un pētnieki šobrīd nevar simulēt to attīstību no sākuma līdz beigām.
"Matemātiskais ietvars, ko Konstantīns ir salicis, ir labs piemērs kaut kam, kas patiešām varētu mums palīdzēt saprast, kā uzvedas objekti, kas ir simtiem tūkstošu orbītas, piemēram, planētas veidojošs disks," viņš teica.
Saskaņā ar Mičiganas Universitātes astrofiziķa Freda Adamsa teikto, kurš nebija iesaistīts pētījumā, šis jaunais darbs ir visnoderīgākais sistēmām, kurās liela mēroga gravitācijas efekti izzūd. Sistēmām ar sarežģītākām gravitācijas ietekmēm, piemēram, galaktikām ar ļoti atšķirīgām spirālveida pleciem, būs nepieciešama kāda cita modelēšanas stratēģija. Bet, ņemot vērā šīs klases problēmu, tas ir interesants astrofizisko disku viļņu tuvināšanas variants, viņš teica.
"Pētījumi jebkurā jomā, ieskaitot apļveida diskus, vienmēr ir ieguvēji no jaunu rīku izstrādes un izmantošanas," sacīja Adams. "Šis raksts atspoguļo jauna analītiskā rīka izstrādi vai jaunu vērpšanu vecākiem instrumentiem atkarībā no tā, kā jūs uz to skatāties. Katrā ziņā tas ir vēl viens lielākas mīklas gabals."
Sistēma pētniekiem ļaus izprast struktūras, kuras astronomi redz nakts debesīs jaunā veidā: Kaut arī šie diski mainās daudz ilgākā laika posmā, nekā cilvēki var novērot, vienādojumu var izmantot, lai izdomātu, kā sistēma nokļuva mūsu redzamajā vietā šodien un kā tas varētu mainīties nākotnē, sacīja Batygin. Un tas viss balstās uz matemātiku, kas parasti raksturo neticami ātru un īslaicīgu mijiedarbību.
"Pastāv šī intriģējošā savstarpība starp matemātiku, kas nosaka subatomiskās pasaules izturēšanos, un matemātiku, kas regulē šo astronomisko lietu izturēšanos [un] ilgtermiņā, kas izvēršas daudz, daudz ilgākā laika posmā," viņš piebilda. "Tās, manuprāt, ir ievērojamas un intriģējošas sekas."
Jaunais darbs tika detalizēti aprakstīts šodien (5. martā) žurnālā The Monthly Notices of Royal Astronomical Society.
