Yeni araştırmalar, evrendeki büyük ölçekli malzeme disklerinin eğrilmesini, atomik ve atomaltı nesnelerin kuantum mekanik davranışını tanımlayan Schrodinger denklemiyle bağlar.
(Resim: © James Tuttle Keane / California Teknoloji Enstitüsü)
Muazzam yıldız veya enkaz diskleri, fizikçilerin kuantum-mekanik sistemleri modellemek için kullandıkları Schrodinger denklemine göre değişen atom altı parçacıklarla aynı kurallar altında çalışabilir.
Yeni bir çalışma, bu denklemle uzay yapılarını görmek, galaksilerin nasıl geliştiğine yeni bakış açıları sunmanın yanı sıra, erken güneş sisteminin mekaniği ve uzak gezegenleri çevreleyen halkaların hareketi hakkında ipuçları ortaya çıkarabilir.
California Yüksek Teknoloji Enstitüsü araştırmacısı Konstantin Batygin, yeni çalışmanın yazarı, bu astrofizik diskleri incelerken o belirli denklemi bulmayı beklemiyordu. "O zamanlar tamamen yerdim," dedi Batygin Space.com'a. "Normal dalga denkleminin görünmesini bekliyordum, bir ipin dalgası ya da bunun gibi bir şey. Bunun yerine, gerçekten kuantum mekaniğinin temel taşı olan bu denklemi alıyorum." [Gezegen Binası 'Uçan Daire' Diski Şaşırtıcı derecede Serin (Video)]
Schrodinger denklemini kullanarak fizikçiler, atomik ve atomaltı ölçeklerdeki sistemlerin etkileşimlerini dalgalar ve parçacıklar açısından yorumlayabilirler - kuantum mekaniğinde bu sistemlerin bazen sezgisel olmayan davranışlarını tanımlayan önemli bir kavram. Görünüşe göre, astrofizik disklerin bükülmesi de parçacıklar gibi davranabilir.
"Geriye dönüp baktığımda, şu anda soruna baktığımda, bunun nasıl olacağını tahmin etmediğime şaşırdım," dedi, belki de en iyi bilinen (laypeople, neyse), dış güneş sistemimizin karanlık derinliklerinde keşfedilmemiş bir "Gezegen Dokuz" için kanıt bulan Caltech araştırmacısı Mike Brown ile bir 2016 çalışması yazdı.
Geçmişten patlama
Batygin bir ders verirken bağlantıyla karşılaştı. Dalgaların uzay mimarisinin temelini oluşturan geniş disklerden nasıl geçtiğini açıklamaya çalışıyordu - örneğin, bu diskler bir galaksinin merkezindeki süper kütleli kara deliklerin etrafındaki yıldızlardan yapılmış ve yeni doğmuş bir yıldız sistemindeki toz ve enkazdan yapılmış. Diskler, mevcut modellemenin tüm zaman ölçeklerinde işleyemeyeceği karmaşık bir şekilde bükülür ve eğrilir. Bilim adamları, eylemlerini birkaç yörüngede ne olduğu ve tüm bir ömür boyunca nasıl dağılacakları gibi çok kısa sürelerde hesaplayabilirler, ancak yüz binlerce yıl boyunca nasıl ve neden değişeceklerini değil.
Batygin, "Bir şeyler olabilir ve bunun nedenini gerçekten bilmiyorsunuz - bu karmaşık bir sistem, bu yüzden sadece bir şeylerin geliştiğini görüyorsunuz, bir tür dinamik evrimin geliştiğini görüyorsunuz." Dedi. "Bu inanılmaz derecede karmaşık fiziksel sezgiye sahip olmadığınız sürece, simülasyonunuzda neler olduğunu anlamıyorsunuz."
Bir diskin gelişimini takip etmek için, Batygin 1770'lerden bir numara ödünç aldı: matematikçilerin Joseph-Louis Lagrange ve Pierre-Simon Laplace'ın güneş sistemini gezegenlerin yörüngelerini takip eden bir dizi dev döngüye dönüştürdüğünü hesaplamak. Model, güneş çevresindeki birkaç devrenin kısa zaman ölçeklerinde yardımcı olmasa da, yörüngelerin zamanla birbirleriyle etkileşimlerini doğru bir şekilde tasvir edebilir.
Batygin, bireysel gezegenlerin yörüngelerini modellemek yerine, her biri o bölgedeki yörüngedeki cisimlerin kütlesine bağlı olan, soğan katmanları gibi astrofiziksel diskin farklı parçalarını temsil etmek için bir dizi daha ince ve daha ince halka kullandı. birbirleriyle diskin nasıl çözüleceğini ve değişeceğini modelleyebilir.
Ve sistem daha fazla halka eklerken elle veya bilgisayarda hesaplamak için çok karmaşık olduğunda, sonsuz sayıda sonsuz ince halkayı tanımlamak için matematiksel bir kısayol kullandı.
Batygin, "Bu sadece sağ ve sol fizikte kullanılan geniş çapta bilinen bir matematiksel sonuçtur." Dedi. Ama yine de, bir şekilde, hiç kimse astrofizik bir diski bu şekilde modellemek için sıçramamıştı.
"Benim için gerçekten dikkat çekici olan, hiç kimsenin [halkaları] daha önce hiç bir süreklilik içinde bulanıklaştırmamasıdır." Dedi. "Geçmişe bakıldığında bu çok açık görünüyor ve neden daha önce düşünmediğimi bilmiyorum."
Batygin bu hesaplamalardan geçtiğinde, ortaya çıkan denklemi şaşırtıcı bir şekilde tanıdık buldu.
"Tabii ki ikisi birbiriyle ilişkili, değil mi? Kuantum mekaniğinde parçacıkları dalga olarak ele alıyorsunuz" dedi. "Geçmişe bakıldığında, Schrodinger denklemi gibi bir şey almanız neredeyse sezgisel, ama o zaman gerçekten gerçekten şaşırdım." Denklem daha önce beklenmedik bir şekilde ortaya çıktı, örneğin okyanus dalgalarının açıklamalarında ve ışığın bazı doğrusal olmayan ortamlarda nasıl hareket ettiği gibi.
Batygin, "Araştırmamın gösterdiği, astrofiziksel disklerin eğilme ve bükülme biçimlerinin uzun vadeli davranışının, esasen kuantum çerçevesinde anlaşılabilecek bu klasik bağlam grubuna katılmasıdır." Dedi.
Yeni sonuçlar iki durum arasında ilginç bir benzetme ortaya koyuyor: Dalgaların astrofiziksel disklerden geçerek iç ve dış kenarlardan sekme şeklinin, tek bir kuantum parçacığının iki duvar arasında ileri geri sıçramaya eşdeğer olduğunu söyledi.
Bu denkliği bulmanın ilginç bir sonucu var: Batygin, bu kuantum durumu üzerinde daha önce çalışmış ve üzerinde çalışmış olan araştırmacılar tarafından yapılan bazı çalışmaları ödünç alabildi ve ardından disklerin harici çekmelere nasıl tepki verdiğini anlamak için bu yeni bağlamdaki denklemi yorumladı. tedirginlikler.
Yale Üniversitesi'nde çalışan bir astrofizikçi olan Greg Laughlin, Space.com'a verdiği demeçte, "Fizikçilerin Schrodinger denklemi konusunda çok deneyimleri var; 100 yaşında geliyor." Diyerek şöyle devam etti: "Ve pek çok derin düşünce onun sonuçlarını anlamaya başladı. Böylece tüm yapı disklerin evrimine uygulanabilir."
"Ve benim gibi - kuşkusuz, protostellar disklerin ne yaptığına dair daha iyi bir duygusu olan biri için - bu da diğer yöne gitme ve belki de disk benzetmesini kullanarak kuantum sistemleri hakkında daha derin bir fikir edinme fırsatı veriyor," katma. "Bunun büyük bir ilgi ve ilgi, muhtemelen de şaşkınlık yaratacağını düşünüyorum. Ve sonuçta bunun gerçekten ilginç bir gelişme olacağını düşünüyorum."
Bir anlayış çerçevesi
Batygin, denklemi astrofizik disklerin birçok farklı yönünü anlamak için uygulamayı dört gözle bekliyor.
Batygin, "Bu makalede sunduğum şey bir çerçeve." Dedi. "Onunla ilgili belirli bir soruna saldırdım, bu da disk sertliği sorunudur - diskin dış bozulmalar altında yerçekimsel olarak katı kalabileceği boyut. Şu anda baktığım çok çeşitli ek uygulamalar var."
Batygin, bunun bir örneği, sonunda güneş sistemimizi oluşturan enkaz diskinin evrimidir. Diğeri, ekstrasolar gezegenlerin çevresindeki halkaların dinamiğidir. Ve üçüncüsü, Samanyolu'nun merkezindeki kara deliği çevreleyen yıldız diski, ki bu da çok eğildi.
Laughlin, çalışmanın özellikle araştırmacıların yeni doğan yıldız sistemleri anlayışını iyileştirmede yardımcı olması gerektiğini kaydetti, çünkü uzaktan gözlemlemek daha zor ve araştırmacılar şu anda gelişimlerini baştan sona simüle edemiyorlar.
"Konstantin'in bir araya getirdiği matematiksel çerçeve, gezegen oluşturan bir disk gibi yüz binlerce yörünge olan nesnelerin nasıl davrandığını anlamamıza gerçekten yardımcı olabilecek bir şeyin iyi bir örneğidir" dedi.
Michigan Üniversitesi'nde çalışmaya katılmayan bir astrofizikçi olan Fred Adams'a göre, bu yeni çalışma, büyük ölçekli yerçekimi etkilerinin iptal edildiği sistemler için çok kullanışlıdır. Çok farklı spiral kollara sahip galaksiler gibi daha karmaşık kütleçekimsel etkileri olan sistemler için başka bir modelleme stratejisine ihtiyaç duyulacaktır. Ancak bu problem sınıfı için, astrofizik disklerdeki dalgalara yaklaşmanın ilginç bir varyasyonu olduğunu söyledi.
Adams, "Dairesel diskler de dahil olmak üzere herhangi bir alanda araştırma yapmak, her zaman yeni araçların geliştirilmesinden ve kullanılmasından faydalanmaktadır." Dedi. "Bu makale, nasıl baktığınıza bağlı olarak yeni bir analitik aracın veya eski araçlar üzerinde yeni bir bükülmenin gelişimini temsil ediyor. Her iki durumda da, daha büyük bulmacanın başka bir parçası."
Çerçeve, araştırmacıların gökbilimcilerin gece gökyüzünde gördükleri yapıları yeni bir şekilde anlamalarını sağlayacaktır: Bu diskler insanların gözlemleyebileceğinden çok daha uzun zaman aralıklarında değişirken, denklem bir sistemin gördüğümüz noktaya nasıl geldiğini anlamak için uygulanabilir. bugün ve gelecekte nasıl değişebileceğini söyledi. Ve hepsi, inanılmaz derecede hızlı, geçici etkileşimleri tanımlayan matematiğe dayanıyor.
"Atomaltı dünyasının davranışını yöneten matematik ile çok, çok daha uzun zaman aralıklarında ortaya çıkan bu astronomik şeylerin davranışını [ve] uzun vadeli evrimini yöneten matematik arasında bu ilgi çekici karşılıklılık var." "Bence bu dikkat çekici ve ilgi çekici bir sonuçtur."
Yeni eser bugün (5 Mart) Kraliyet Astronomi Derneği Aylık Bildirileri dergisinde detaylandırıldı.
