Новите изследвания свързват изкривяването на мащабни дискове от материал във Вселената с уравнението на Шрьодингер, което описва квантово механичното поведение на атомните и субатомните обекти.
(Изображение: © James Tuttle Keane / Калифорнийският технологичен институт)
Огромни дискове от звезди или отломки могат да работят по същите правила като субатомните частици, променяйки се въз основа на уравнението на Шрьодингер, което физиците използват за моделиране на квантово-механични системи.
Прегледът на космическите структури с това уравнение може да даде нова представа за това как се развиват галактиките, както и да разкрие улики за механиката на ранната Слънчева система и действието на пръстените, обикалящи далечни планети, съобщава ново проучване.
Изследователят на Калифорнийския технологичен институт Константин Батигин, автор на новото проучване, не очакваше да намери това конкретно уравнение при изучаването на тези астрофизични дискове. „Навремето бях напълно затънал“, каза Батигин пред Space.com. "Очаквах да се появи редовното вълново уравнение, нещо като вълната на струна или нещо подобно. И вместо това получавам това уравнение, което наистина е крайъгълен камък на квантовата механика." [Дискът на „Flying Saucer“ на планетата е изненадващо готин (видео)]
Използвайки уравнението на Шрьодингер, физиците могат да интерпретират взаимодействията на системи на атомна и субатомна скала по отношение на вълни, както и на частици - ключово понятие в квантовата механика, което описва понякога неинтуитивното поведение на тези системи. Оказва се, че изкривяването на астрофизичните дискове също може да действа като частици.
"В ретроспекция, когато гледам на проблема сега, се изненадвам как не просто предположих, че точно това ще бъде", каза Батигин, който е може би най-известен (за хората от лайф, така или иначе) за съвместни действия. автор на проучване през 2016 г. с колега изследовател на Калтех, Майк Браун, който намери доказателства за възможна неоткрита „Девет планета“ в тъмните дълбини на външната ни слънчева система.
Спомен от миналото
Батигин попадна на връзката, когато преподаваше клас. Той се опитваше да обясни как вълните пътуват през широките дискове, които са основна космическа архитектура - например такива дискове са изградени от звезди около свръхмасивни черни дупки в центъра на галактиката и са направени от прах и отломки в система за новородени звезди. Дисковете се огъват и извиват по сложен начин, с който сегашното моделиране не може да се справи с всички времеви интервали. Учените могат да изчислят действията си за много кратки интервали от време, като това, което се случва в рамките на няколко орбити, както и как те ще се разпръснат през целия им живот, но не и как и защо ще се променят от порядъка на стотици хиляди години.
"Нещата може да се случат и всъщност не знаете защо - това е сложна система, така че просто виждате как се разгръщат неща, виждате как се развива някаква динамична еволюция", каза Батигин. "Освен ако нямате тази чудовищно сложна физическа интуиция, просто не разбирате какво се случва във вашата симулация."
За да проследи развитието на диска, Батигин заимства трик от 1770-те: изчислявайки начина, по който математиците Джоузеф-Луис Лагранж и Пиер-Симон Лаплас моделират слънчевата система като поредица от гигантски контури, следващи орбитите на планетите. Въпреки че моделът не беше полезен за кратки времеви интервали от няколко вериги около слънцето, той може точно да изобразява взаимодействията на орбитите помежду си с течение на времето.
Вместо да моделира орбитите на отделни планети, Батигин използва серия от по-тънки и по-тънки пръстени, за да представи различни парчета от астрофизичния диск, като слоеве от лук, всеки завързан към масата на орбиталните тела в този регион. Гравитационните взаимодействия на пръстените един с друг би могъл да моделира как дискът ще се изкриви и промени.
И когато системата стана твърде сложна, за да се изчисли на ръка или на компютъра, докато добави още пръстени, той използва математически пряк път, за да преобразува в описване на безкраен брой безкрайно тънки пръстени.
"Това е просто широко известен математически резултат, който се използва във физиката отляво и отдясно", каза Батигин. Но все пак по някакъв начин никой не е предприел скока да моделира астрофизичен диск по този начин.
„Това, което наистина е забележително за мен, е, че никой досега не е размил [пръстените] в континуум“, каза той. „Изглежда толкова очевидно в ретроспекция и не знам защо не се сетих по-рано.“
Когато Батигин премина през тези изчисления, той намери новообразуващото се уравнение изненадващо познато.
"Разбира се, двете са свързани, нали? В квантовата механика вие третирате частиците като вълни", каза той. "В ретроспекция е нещо почти интуитивно, че трябва да получите нещо като уравнението на Шрьодингер, но по това време наистина бях истински изненадан." Уравнението изскочи неочаквано преди, добави той - например в описания на океанските вълни, както и начина, по който светлината се движи през определени нелинейни среди.
„Това, което показва моето изследване, е, че дългосрочното поведение на астрофизичните дискове, начинът, по който те се огъват и изкривяват, се присъединява към тази група от класически контексти, които могат да бъдат разбрани в по същество квантова рамка“, каза Батигин.
Новите резултати пораждат интересна аналогия между двете ситуации: Начинът, по който вълните пътуват през астрофизичните дискове, отскачайки от вътрешния и външния ръб, е еквивалентен на това как една квантова частица отскача напред-назад между две стени, каза той.
Намирането на тази еквивалентност има едно интересно следствие: Батигин успя да заеме част от работата, извършена от изследователи, които вече са изучавали и работили широко в тази квантова ситуация, и след това интерпретира уравнението в този нов контекст, за да разбере как дисковете реагират на външни издърпвания и сътресения.
"Физиците имат голям опит с уравнението на Шрьодингер; то се появява на 100 години", заяви пред Space.com Грег Лафлин, астрофизик от Йейския университет, който не е участвал в изследването. "И много много дълбока мисъл е отишла в разбирането на неговите последствия. И така, че сега цялото здание може да се приложи към еволюцията на дисковете."
"И за някой като мен - който наистина има по-добър смисъл, макар и несъвършен, за това, което правят протозвездните дискове - това също дава възможност да се върви по другия път и може би да получите по-задълбочен поглед върху квантовите системи, използвайки аналогията на диска", каза той добавена. "Смятам, че това ще предизвика много внимание и интерес, вероятно изумление. И в крайна сметка мисля, че ще бъде наистина интересно развитие."
Рамка на разбиране
Батигин очаква с нетърпение да приложи уравнението за разбиране на много различни аспекти на астрофизичните дискове.
"Това, което представих в този документ, е рамка", каза Батигин. "Нападнах един конкретен проблем с него, който е проблемът с твърдостта на диска - степента, в която дискът може да остане гравитационно твърд при външни смущения. Има широк спектър от допълнителни приложения, които разглеждам в момента."
Един пример е еволюцията на диска от отломки, които в крайна сметка формираха нашата слънчева система, каза Батигин. Друга е динамиката на пръстените около екстрасоларни планети. И трета е дискът на звезди, заобикалящ черната дупка в центъра на Млечния път, който сам по себе си е силно огънат.
Лафлин отбеляза, че работата трябва да бъде особено полезна за подобряване разбирането на изследователите на новородените звездни системи, тъй като те са по-трудни за наблюдение отдалеч и в момента изследователите не могат да симулират тяхното развитие от началото до края.
"Математическата рамка, която Константин е съставил, е добър пример за нещо, което наистина може да ни помогне да разберем как се държат обекти, които са стари на стотици хиляди орбити, като диск, образуващ планета", каза той.
Според Фред Адамс, астрофизик от Мичиганския университет, който не е участвал в изследването, тази нова работа е най-полезна за системи, в които мащабните гравитационни ефекти отменят. За системи с по-сложни гравитационни влияния, като галактики с много отчетливи спирални рамена, ще е необходима друга стратегия за моделиране. Но за този клас проблеми е интересна вариация на приближаващите вълни в астрофизичните дискове, каза той.
„Изследванията във всяка област, включително циркулярните дискове, винаги се възползват от разработването и използването на нови инструменти“, каза Адамс. "Този документ представлява разработването на нов аналитичен инструмент или нов обрат на по-старите инструменти, в зависимост от това как го гледате. Така или иначе, това е друго парче от по-големия пъзел."
Рамката ще позволи на изследователите да разберат структурите, които астрономите виждат на нощното небе по нов начин: Докато тези дискове се променят в далеч по-дълги времеви интервали, отколкото хората могат да наблюдават, уравнението може да се приложи, за да разбере как една система стигна до точката, която виждаме днес и как може да се промени в бъдеще, каза Батигин. И всичко се основава на математиката, която обикновено описва невероятно бързи, мимолетни взаимодействия.
"Има тази интригуваща реципрочност между математиката, която управлява поведението на субатомния свят, и математиката, която управлява поведението [и] дългосрочната еволюция на тези астрономически неща, които се разгръщат в много, много по-дълги времеви граници", добави той. "Това, според мен, е забележително и интригуващо последствие."
Новата работа беше подробно описана днес (5 март) в списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
