Nieuw onderzoek verbindt het kromtrekken van grote schijven van materiaal in het universum met de Schrodinger-vergelijking, die het kwantummechanische gedrag van atomaire en subatomaire objecten beschrijft.
(Afbeelding: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Enorme schijven van sterren of puin kunnen werken onder dezelfde regels als subatomaire deeltjes, en veranderen op basis van de Schrodinger-vergelijking, die natuurkundigen gebruiken om kwantummechanische systemen te modelleren.
Het bekijken van ruimtestructuren met die vergelijking kan nieuwe inzichten geven over hoe sterrenstelsels evolueren, en ook aanwijzingen onthullen over de mechanica van het vroege zonnestelsel en de werking van ringen die verre planeten cirkelen, meldt een nieuwe studie.
Konstantin Batygin, onderzoeker van het California Institute of Technology, auteur van de nieuwe studie, had niet verwacht dat hij die specifieke vergelijking zou vinden bij het bestuderen van die astrofysische schijven. 'In die tijd was ik helemaal onder de indruk', vertelde Batygin aan Space.com. 'Ik verwachtte dat de reguliere golfvergelijking zou verschijnen, zoiets als de golf van een snaar of zoiets. En in plaats daarvan krijg ik deze vergelijking, die echt de hoeksteen is van de kwantummechanica.' [Planet-Building 'Flying Saucer'-schijf is verrassend cool (video)]
Met behulp van de Schrodinger-vergelijking kunnen natuurkundigen de interacties van systemen op atomaire en subatomaire schaal in termen van golven en deeltjes interpreteren - een sleutelbegrip in de kwantummechanica dat het soms niet-intuïtieve gedrag van die systemen beschrijft. Het blijkt dat het kromtrekken van astrofysische schijven ook als deeltjes kan werken.
'Als ik nu naar het probleem kijk, ben ik verbaasd over hoe ik niet alleen vermoedde dat het dat zou zijn', zei Batygin, die misschien het meest bekend is (bij leken in ieder geval) voor mede het schrijven van een studie uit 2016 met collega-Caltech-onderzoeker Mike Brown die bewijs vond voor een mogelijk onontdekte "Planet Nine" in de donkere diepten van ons buitenste zonnestelsel.
Schiet uit het verleden
Batygin kwam de connectie tegen tijdens het lesgeven aan een klas. Hij probeerde uit te leggen hoe golven door de brede schijven reizen die een hoofdbestanddeel zijn van de ruimtearchitectuur - dergelijke schijven zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit sterren rond superzware zwarte gaten in het centrum van een melkwegstelsel en gemaakt van stof en puin in een pasgeboren zonnestelsel. De schijven buigen en vervormen op een complexe manier die de huidige modellering niet op alle tijdschalen aankan. Wetenschappers kunnen hun acties over zeer korte tijdspanne berekenen, zoals wat er over een paar banen gebeurt, en hoe ze zich over een heel leven zullen verspreiden, maar niet hoe en waarom ze zullen veranderen in de orde van honderdduizenden jaren.
"Er kunnen dingen gebeuren, en je weet niet echt waarom - het is een ingewikkeld systeem, dus je ziet gewoon dingen zich ontvouwen, je ziet een soort dynamische evolutie zich ontvouwen", zei Batygin. 'Tenzij je deze monsterlijk ingewikkelde fysieke intuïtie hebt, begrijp je gewoon niet wat er in je simulatie gebeurt.'
Om de ontwikkeling van een schijf te volgen, leende Batygin een truc uit de jaren 1770: het berekenen van de manier waarop wiskundigen Joseph-Louis Lagrange en Pierre-Simon Laplace het zonnestelsel modelleerden als een reeks gigantische lussen die de banen van de planeten volgen. Hoewel het model niet nuttig was op korte tijdschalen van een paar circuits rond de zon, kon het de interacties van de banen met elkaar in de tijd nauwkeurig weergeven.
In plaats van de banen van individuele planeten te modelleren, gebruikte Batygin een reeks dunnere en dunnere ringen om verschillende delen van de astrofysische schijf voor te stellen, zoals lagen van een ui, elk gebonden aan de massa van de baanlichamen in dat gebied. met elkaar kunnen modelleren hoe de schijf zou vervormen en veranderen.
En toen het systeem te ingewikkeld werd om met de hand of op de computer te berekenen terwijl hij meer ringen toevoegde, gebruikte hij een wiskundige snelkoppeling om te converteren naar een oneindig aantal oneindig dunne ringen.
'Dit is slechts een algemeen bekend wiskundig resultaat dat links en rechts in de natuurkunde wordt gebruikt', zei Batygin. Maar toch had op de een of andere manier niemand de sprong gemaakt om op die manier een astrofysische schijf te modelleren.
"Wat echt opmerkelijk voor mij is, is dat niemand ooit de ringen heeft vervaagd tot een continuüm", zei hij. 'Achteraf lijkt het zo vanzelfsprekend en ik weet niet waarom ik er niet eerder aan heb gedacht.'
Toen Batygin die berekeningen doornam, vond hij de opkomende vergelijking verrassend vertrouwd.
'Natuurlijk zijn die twee met elkaar verbonden, toch? In de kwantummechanica behandel je deeltjes als golven', zei hij. "Achteraf is het bijna intuïtief dat je zoiets als de Schrodinger-vergelijking zou krijgen, maar in die tijd was ik echt oprecht verrast." De vergelijking is onverwachts eerder opgedoken, voegde hij eraan toe - bijvoorbeeld in beschrijvingen van oceaangolven, evenals de manier waarop licht door bepaalde niet-lineaire media beweegt.
"Wat mijn onderzoek aantoont, is dat het lange-termijngedrag van astrofysische schijven, de manier waarop ze buigen en kromtrekken, zich voegt bij deze groep klassieke contexten die begrepen kunnen worden in een in wezen kwantumkader," zei Batygin.
De nieuwe resultaten roepen een interessante analogie op tussen de twee situaties: de manier waarop golven door astrofysische schijven reizen en tegen de binnen- en buitenranden stuiteren, komt overeen met hoe een enkel kwantumdeeltje heen en weer stuitert tussen twee muren, zei hij.
Het vinden van deze gelijkwaardigheid heeft een interessant gevolg: Batygin kon een deel van het werk lenen van onderzoekers die deze kwantumsituatie al uitgebreid hebben bestudeerd en verwerkt, en vervolgens de vergelijking in deze nieuwe context interpreteren om te begrijpen hoe schijven reageren op externe pulls en verstoringen.
"Natuurkundigen hebben veel ervaring met de Schrodinger-vergelijking; het komt nu op 100 jaar oud", vertelde Greg Laughlin, een astrofysicus aan de Yale University die niet betrokken was bij de studie, aan Space.com. 'En er is heel diep nagedacht over het begrijpen van de gevolgen ervan. En dus kan dat hele bouwwerk nu worden toegepast op de evolutie van schijven.'
"En voor iemand zoals ik - die weliswaar een beter gevoel heeft, hoewel onvolmaakt, van wat protostellaire schijven doen - geeft dit ook de mogelijkheid om de andere kant op te gaan en misschien wat dieper inzicht te krijgen in kwantumsystemen door de schijfanalogie te gebruiken," hij toegevoegd. 'Ik denk echt dat het veel aandacht en interesse zal wekken, waarschijnlijk tot ontsteltenis. En uiteindelijk denk ik dat het een heel interessante ontwikkeling gaat worden.'
Een raamwerk van begrip
Batygin kijkt er naar uit om de vergelijking toe te passen om veel verschillende facetten van astrofysische schijven te begrijpen.
'Wat ik in dit document heb gepresenteerd, is een raamwerk', zei Batygin. "Ik heb er een specifiek probleem mee aangepakt, namelijk het probleem van de schijfstijfheid - de mate waarin de schijf zwaartekrachtstijf kan blijven onder externe verstoringen. Er is een breed scala aan aanvullende toepassingen waar ik momenteel naar op zoek ben."
Een voorbeeld is de evolutie van de puinschijf die uiteindelijk ons zonnestelsel vormde, zei Batygin. Een andere is de dynamiek van ringen rond planeten buiten het zonnestelsel. En een derde is de schijf van sterren rond het zwarte gat in het centrum van de Melkweg, dat zelf sterk gebogen is.
Laughlin merkte op dat het werk bijzonder nuttig zou moeten zijn om het inzicht van onderzoekers in pasgeboren sterrenstelsels te verbeteren, omdat ze van een afstand moeilijker te observeren zijn en onderzoekers hun ontwikkeling momenteel niet van begin tot eind kunnen simuleren.
'Het wiskundige raamwerk dat Konstantin heeft samengesteld, is een goed voorbeeld van iets dat ons echt zou kunnen helpen begrijpen hoe objecten die honderdduizenden banen oud zijn, zoals een planeetvormende schijf, zich gedragen', zei hij.
Volgens Fred Adams, een astrofysicus aan de Universiteit van Michigan die niet bij de studie betrokken was, is dit nieuwe werk het meest nuttig voor systemen waarin grootschalige zwaartekrachteffecten opheffen. Voor systemen met meer gecompliceerde zwaartekrachtinvloeden, zoals sterrenstelsels met zeer verschillende spiraalarmen, is een andere modelleerstrategie nodig. Maar voor deze klasse van problemen is het een interessante variatie op het benaderen van golven in astrofysische schijven, zei hij.
"Onderzoek op elk gebied, inclusief circumstellaire schijven, heeft altijd baat bij de ontwikkeling en het gebruik van nieuwe tools", aldus Adams. "Dit artikel vertegenwoordigt de ontwikkeling van een nieuw analytisch hulpmiddel, of een nieuwe draai aan oudere hulpmiddelen, afhankelijk van hoe je ernaar kijkt. Het is hoe dan ook een ander stukje van de grotere puzzel."
Het raamwerk laat onderzoekers de structuren die astronomen aan de nachtelijke hemel zien op een nieuwe manier begrijpen: hoewel deze schijven op veel langere tijdschalen veranderen dan mensen kunnen waarnemen, kan de vergelijking worden toegepast om erachter te komen hoe een systeem op het punt is gekomen dat we zien vandaag en hoe het in de toekomst kan veranderen, zei Batygin. En het is allemaal gebaseerd op wiskunde die meestal ongelooflijk snelle, vluchtige interacties beschrijft.
'Er is een intrigerende wederkerigheid tussen de wiskunde die het gedrag van de subatomaire wereld regelt en de wiskunde die het gedrag [en] de evolutie op lange termijn van deze astronomische dingen regelt die zich op veel, veel langere tijdschalen ontvouwen', voegde hij eraan toe. 'Dat is volgens mij een opmerkelijk en intrigerend gevolg.'
Het nieuwe werk werd vandaag (5 maart) gedetailleerd beschreven in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
