Ny forskning knytter snevring av store skiver av materiale i universet med Schrodinger-ligningen, som beskriver den kvantemekaniske oppførselen til atom- og subatomiske objekter.
(Bilde: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Enorme skiver av stjerner eller rusk kan fungere under de samme reglene som subatomiske partikler, og endres basert på Schrodinger-ligningen, som fysikere bruker for å modellere kvantemekaniske systemer.
Å se romstrukturer med den ligningen kan gi ny innsikt i hvordan galakser utvikler seg, samt avsløre ledetråder om mekanikken i det tidlige solsystemet og virkningen av ringer som kretser rundt fjerne planeter, rapporterer en ny studie.
California Institute of Technology forsker Konstantin Batygin, forfatter av den nye studien, hadde ikke forventet å finne den spesielle ligningen når de studerte de astrofysiske platene. "På den tiden var jeg helt flov," sa Batygin til Space.com. "Jeg ventet at den vanlige bølgeforlikningen skulle vises, noe som bølgen til en streng eller noe sånt. Og i stedet får jeg denne ligningen, som virkelig er hjørnesteinen i kvantemekanikken." [Planet-Building "Flying Saucer" -disken er overraskende kul (video)]
Ved hjelp av Schrodinger-ligningen kan fysikere tolke interaksjonene mellom systemer på atom- og subatomære skalaer i form av bølger så vel som partikler - et sentralt begrep i kvantemekanikk som beskriver disse systemenes til tider uintuitive oppførsel. Det viser seg at deformering av astrofysiske disker kan fungere som partikler også.
"I ettertid, når jeg ser på problemet nå, er jeg overrasket over hvordan jeg ikke bare gjette at det var hva det kom til å bli," sa Batygin, som kanskje er mest kjent (for lagfolk uansett) for forfatter av en studie fra 2016 med stipendiat Caltech-forsker Mike Brown som fant bevis for en mulig uoppdaget "Planet Nine" i de mørke dypet av vårt ytre solsystem.
Et gufs fra fortiden
Batygin kom over forbindelsen da han underviste i en klasse. Han prøvde å forklare hvordan bølger beveger seg gjennom de brede skivene som er et stift i romarkitekturen - for eksempel er slike disker bygget av stjerner rundt supermassive sorte hull i en galakas sentrum, og laget av støv og rusk i et nyfødt stjernesystem. Diskene bøyer seg og fordreier seg på en kompleks måte som nåværende modellering ikke kan håndtere på alle tidsrom. Forskere kan beregne sine handlinger over veldig korte tidsspenn, som hva som skjer over noen få bane, samt hvordan de vil spre seg over en hel levetid, men ikke hvordan og hvorfor de vil endre seg i størrelsesorden hundretusenvis av år.
"Ting kan skje, og du vet ikke helt hvorfor - det er et komplisert system, så du bare ser ting utfolde seg, se en slags dynamisk evolusjon utfolde seg," sa Batygin. "Med mindre du har denne uhyre kompliserte fysiske intuisjonen, forstår du bare ikke hva som skjer i simuleringen din."
For å følge utviklingen på en disk lånte Batygin et triks fra 1770-tallet: beregne måten matematikere Joseph-Louis Lagrange og Pierre-Simon Laplace modellerte solsystemet som en serie gigantiske løkker etter planetenes baner. Selv om modellen ikke var nyttig på korte tider for noen få kretser rundt solen, kunne den skildre banenes samspill med hverandre over tid.
I stedet for å modellere individuelle planets baner, brukte Batygin en serie tynnere og tynnere ringer for å representere forskjellige deler av den astrofysiske disken, som lag av en løk, som hver er bundet til massen av de kretsende kroppene i det området. Ringenes gravitasjonsinteraksjoner med hverandre kunne modellere hvordan disken ville forvrides og endres.
Og da systemet ble for komplisert til å beregne for hånd eller på datamaskinen da han la til flere ringer, brukte han en matematisk snarvei for å konvertere til å beskrive et uendelig antall uendelig tynne ringer.
"Dette er bare et bredt kjent matematisk resultat som brukes i fysikk til venstre og høyre," sa Batygin. Men ennå, på en eller annen måte, hadde ingen tatt spranget for å modellere en astrofysisk disk på den måten.
"Det som virkelig er bemerkelsesverdig for meg, er at ingen har sløret [ringene] til et kontinuum noen gang før," sa han. "Det virker så opplagt i ettertid, og jeg vet ikke hvorfor jeg ikke tenkte på det før."
Da Batygin gikk gjennom disse beregningene, fant han den fremvoksende ligningen overraskende kjent.
"Selvfølgelig er de to beslektede, ikke sant? I kvantemekanikk behandler du partikler som bølger," sa han. "I ettertid er det på en måte nesten intuitivt at du skulle få noe som Schrodinger-ligningen, men den gangen ble jeg virkelig overrasket." Ligningen har dukket opp uventet før, la han til - i beskrivelser av havbølger, for eksempel, så vel som hvordan lys beveger seg gjennom visse ikke-lineære medier.
"Det forskningen min demonstrerer, er at den langsiktige oppførselen til astrofysiske disker, måten de bøyer seg på og skjelver, blir med i denne gruppen av klassiske kontekster som kan forstås i et vesentlig kvantet rammeverk," sa Batygin.
De nye resultatene gir en interessant analogi mellom de to situasjonene: Måten bølger beveger seg gjennom astrofysiske disker, som spretter fra indre og ytre kanter, tilsvarer hvordan en enkelt kvantepartikkel spretter frem og tilbake mellom to vegger, sa han.
Å finne denne ekvivalensen har en interessant konsekvens: Batygin var i stand til å låne noe av arbeidet som ble gjort av forskere som allerede har studert og arbeidet gjennom denne kvantesituasjonen i utstrakt grad, og deretter tolke ligningen i denne nye konteksten for å forstå hvordan disker reagerer på eksterne trekk og forstyrrelser.
"Fysikere har mye erfaring med Schrodinger-ligningen; den kommer opp på 100 år gammel nå," sa Greg Laughlin, en astrofysiker ved Yale University, som ikke var involvert i studien, til Space.com. "Og mye veldig dyp tanke har gått til å forstå dens konsekvenser. Og slik at hele bygningen nå kan brukes på utviklingen av disker."
"Og for en som meg - som riktignok har en bedre sans, selv om den er ufullkommen, av hva protostellare disker gjør - gir dette også muligheten til å gå den andre veien og kanskje få noe dypere innblikk i kvantesystemer ved å bruke diskanalogien," sa han la til. "Jeg tror nok at det kommer til å vekke mye oppmerksomhet og interesse, sannsynligvis konsternasjon. Og til slutt tror jeg at det kommer til å bli en veldig interessant utvikling."
En forståelsesramme
Batygin ser frem til å bruke ligningen for å forstå mange forskjellige fasetter av astrofysiske disker.
"Det jeg har presentert i denne artikkelen er et rammeverk," sa Batygin. "Jeg har angrepet ett bestemt problem med det, som er problemet med stivhet i disken - i hvilken grad disken kan forbli gravitasjonsmessig stiv under eksterne forstyrrelser. Det er et bredt spekter av tilleggsprogrammer som jeg ser på for øyeblikket."
Et eksempel er utviklingen av disken som til slutt dannet solsystemet vårt, sa Batygin. En annen er dynamikken i ringer rundt ekstrasolare planeter. Og en tredje er disken med stjerner som omgir det sorte hullet i midten av Melkeveien, som i seg selv er sterkt bøyd.
Laughlin bemerket at arbeidet burde være spesielt nyttig for å forbedre forskernes forståelse av nyfødte stjernesystemer fordi de er vanskeligere å observere langveisfra, og forskere kan for tiden ikke simulere utviklingen fra start til slutt.
"Det matematiske rammeverket som Konstantin har satt sammen er et godt eksempel på noe som virkelig kan hjelpe oss å forstå hvordan gjenstander som er hundretusenvis av baner gamle, som en planetdannende disk, oppfører seg," sa han.
I følge Fred Adams, en astrofysiker ved University of Michigan, som ikke var involvert i studien, er dette nye arbeidet mest nyttig for systemer der storstilt tyngdekrafteffekter avbryter. For systemer med mer kompliserte gravitasjonspåvirkninger, som galakser med veldig tydelige spiralarmer, vil det være nødvendig med en annen modelleringsstrategi. Men for denne klassen av problemer er det en interessant variasjon på tilnærming til bølger i astrofysiske disker, sa han.
"Forskning på et hvilket som helst felt, inkludert omskjellsskiver, drar alltid nytte av utvikling og bruk av nye verktøy," sa Adams. "Denne artikkelen representerer utviklingen av et nytt analyseverktøy, eller en ny vri på eldre verktøy, avhengig av hvordan du ser på det. Uansett er det en annen del av det større puslespillet."
Rammeverket vil la forskere forstå strukturer astronomer ser på nattehimmelen på en ny måte: Mens disse diskene endrer seg på langt lengre tidsrom enn mennesker kan observere, kan ligningen brukes for å finne ut hvordan et system kom til det punktet vi ser i dag og hvordan det kan endre seg i fremtiden, sa Batygin. Og det hele er basert på matematikk som vanligvis beskriver utrolig raske, flyktige interaksjoner.
"Det er denne spennende gjensidigheten mellom matematikken som styrer oppførselen til den subatomiske verdenen og matematikken som styrer atferden [og] langsiktig utvikling av disse astronomiske tingene som utspiller seg på mye, mye lengre tidsskala," la han til. "Det tror jeg er en bemerkelsesverdig og spennende konsekvens."
Det nye verket ble detaljert i dag (5. mars) i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
