Ny forskning binder varvningen av storskaliga materialskivor i universum med Schrodinger-ekvationen, som beskriver kvantmekaniskt beteende hos atom- och subatomära objekt.
(Bild: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Enorma skivor av stjärnor eller skräp kan fungera enligt samma regler som subatomära partiklar och ändras baserat på Schrodinger-ekvationen, som fysiker använder för att modellera kvantmekaniska system.
Att titta på rymdstrukturer med den ekvationen kan ge ny insikt i hur galaxer utvecklas, samt avslöja ledtrådar om mekaniken i det tidiga solsystemet och handlingen för ringar som kringgår avlägsna planeter, rapporterar en ny studie.
Kaliforniens institut för teknologiforskare Konstantin Batygin, författare till den nya studien, hade inte förväntat sig hitta den speciella ekvationen när man studerade de astrofysiska skivorna. "På den tiden var jag helt våldsam," berättade Batygin till Space.com. "Jag förväntade mig att den vanliga vågekvationen skulle dyka upp, något som en strängvåg eller något liknande. Och istället får jag den här ekvationen, som verkligen är hörnstenen i kvantmekaniken." [Planet-Building "Flying Saucer" -disken är överraskande cool (video)]
Med hjälp av Schrodinger-ekvationen kan fysiker tolka interaktionerna mellan system på atom- och subatomära skalor i form av vågor såväl som partiklar - ett nyckelbegrepp i kvantmekanik som beskriver systemens ibland ointuitiva beteende. Det visar sig att varpningen av astrofysiska skivor kan fungera som partiklar också.
"I efterhand, när jag tittar på problemet nu, är jag förvånad över hur jag inte bara gissade att det var vad det skulle bli," sa Batygin, som kanske är bäst känd (för lekmännen, i alla fall) för sam- som författade en studie 2016 med kollega Caltech-forskaren Mike Brown som hittade bevis för en möjlig oupptäckt "Planet Nine" i de mörka djupen i vårt yttre solsystem.
Viskning från det förflutna
Batygin kom över sambandet när jag undervisade i en klass. Han försökte förklara hur vågorna reser genom de breda skivorna som är en häftklammer i rymdarkitekturen - till exempel är sådana skivor byggda av stjärnor runt supermassiva svarta hål i en galaxens centrum och gjorda av damm och skräp i ett nyfött stjärnsystem. Diskarna böjs och varpas på ett komplext sätt som nuvarande modellering inte kan hantera på alla tidsskalor. Forskare kan beräkna sina handlingar under mycket korta tidsintervall, som vad som händer under några banor, liksom hur de kommer att spridas över en hel livstid, men inte hur och varför de kommer att förändras i storleksordningen hundratusentals år.
"Saker kan hända, och du vet inte riktigt varför - det är ett komplicerat system, så att du bara ser saker utvecklas, se någon slags dynamisk utveckling utvecklas," sade Batygin. "Såvida du inte har denna monströst komplicerade fysiska intuition, förstår du bara inte vad som händer i din simulering."
För att följa en hårddiskutveckling lånade Batygin ett trick från 1770-talet: beräkningen av hur matematikerna Joseph-Louis Lagrange och Pierre-Simon Laplace modellerade solsystemet som en serie jätte-slingor efter planets banor. Även om modellen inte var till hjälp på korta tidsskalor för några få kretsar runt solen, kunde den exakt avbilda banans interaktion med varandra över tid.
I stället för att modellera enskilda planets banor, använde Batygin en serie tunnare och tunnare ringar för att representera olika bitar av den astrofysiska skivan, som lager av en lök, var och en bundna till massan av de kretsande kropparna inom regionen. Ringarnas gravitationella interaktioner med varandra kunde modellera hur disken skulle varpa och ändras.
Och när systemet blev för komplicerat för att beräkna för hand eller på datorn när han lägger till fler ringar, använde han en matematisk genväg för att konvertera till att beskriva ett oändligt antal oändligt tunna ringar.
"Detta är bara ett allmänt känt matematiskt resultat som används i fysik till vänster och höger," sade Batygin. Men ändå, på något sätt, hade ingen tagit språnget för att modellera en astrofysisk skiva på det sättet.
"Det som verkligen är anmärkningsvärt för mig är att ingen har suddat [ringarna] i ett kontinuum någonsin tidigare," sade han. "Det verkar så uppenbart i efterhand, och jag vet inte varför jag inte tänkte på det förr."
När Batygin genomgick dessa beräkningar, fann han den växande ekvationen förvånansvärt bekant.
"Naturligtvis är de två släkt, eller hur? I kvantmekanik behandlar du partiklar som vågor," sade han. "I efterhand är det typ av nästan intuitivt att du skulle få något som Schrodinger-ekvationen, men vid den tiden blev jag verkligen förvånad." Ekvationen har dykt upp oväntat tidigare, tillade han - i beskrivningar av till exempel havsvågor, liksom hur ljuset rör sig genom vissa icke-linjära media.
"Vad min forskning visar är att det långsiktiga beteendet hos astrofysiska skivor, det sätt på vilket de böjer sig och vrider sig, sammanfogar denna grupp klassiska sammanhang som kan förstås i en väsentlig kvantisk ram," sade Batygin.
De nya resultaten ger upphov till en intressant analogi mellan de två situationerna: sättet som vågorna reser genom astrofysiska skivor, studsar från de inre och yttre kanterna, motsvarar hur en enda kvantpartikel studsar fram och tillbaka mellan två väggar, sade han.
Att hitta denna ekvivalens har en intressant konsekvens: Batygin kunde låna en del av det arbete som gjorts av forskare som redan har studerat och arbetat genom denna kvantesituation i stor utsträckning, och sedan tolka ekvationen i detta nya sammanhang för att förstå hur diskar svarar på externa drag och störningar.
"Fysiker har mycket erfarenhet av Schrodinger-ekvationen; den kommer upp på 100 år nu," sa Greg Laughlin, en astrofysiker vid Yale University som inte var inblandad i studien, berättade Space.com. "Och en hel del mycket djup tanke har gått till förståelse av dess konsekvenser. Och så att hela byggnaden nu kan tillämpas på utvecklingen av diskar."
"Och för någon som jag - som visserligen har en bättre känsla, även om den är ofullkomlig, av vad protostellära skivor gör - ger detta också möjligheten att gå åt andra hållet och kanske få en djupare inblick i kvantsystem med hjälp av diskanalogin," säger han Lagt till. "Jag tror att det kommer att väcka en hel del uppmärksamhet och intresse, förmodligen konsternation. Och till slut tror jag att det kommer att bli en riktigt intressant utveckling."
En ram för förståelse
Batygin ser fram emot att tillämpa ekvationen för att förstå många olika aspekter av astrofysiska skivor.
"Det jag har presenterat i detta dokument är ett ramverk," sade Batygin. "Jag har angripit ett särskilt problem med det, vilket är problemet med skivstivhet - i vilken utsträckning hårddisken kan förbli tyngdkraftig under externa störningar. Det finns ett brett utbud av ytterligare applikationer som jag tittar på just nu."
Ett exempel är utvecklingen av skivan med skräp som så småningom bildade vårt solsystem, sade Batygin. En annan är dynamiken i ringar runt extrasolära planeter. Och en tredje är skivan med stjärnor som omger det svarta hålet i mitten av Vintergatan, som själv är mycket böjd.
Laughlin noterade att arbetet borde vara särskilt användbart för att förbättra forskarnas förståelse för nyfödda stjärnsystem eftersom de är svårare att observera långt ifrån, och forskare kan för närvarande inte simulera sin utveckling från början till slut.
"Den matematiska ramen som Konstantin har satt ihop är ett bra exempel på något som verkligen kan hjälpa oss att förstå hur objekt som är hundratusentals banor gamla, som en planetbildande skiva, beter sig", sade han.
Enligt Fred Adams, en astrofysiker vid University of Michigan som inte deltog i studien, är detta nya arbete mest användbart för system där storskaliga gravitationseffekter avbryter. För system med mer komplicerade gravitationspåverkan, som galaxer med mycket distinkta spiralarmar, behövs någon annan modelleringsstrategi. Men för denna klass av problem är det en intressant variation på ungefärliga vågor i astrofysiska skivor, sade han.
"Forskning inom alla områden, inklusive circumstellar-diskar, drar alltid nytta av utvecklingen och användningen av nya verktyg," sade Adams. "Detta papper representerar utvecklingen av ett nytt analysverktyg, eller en ny twist på äldre verktyg, beroende på hur du ser på det. Hur som helst är det en annan bit av det större pusslet."
Ramverket kommer att låta forskare förstå de strukturer astronomer ser på natthimlen på ett nytt sätt: Medan dessa skivor förändras på långt längre tid än människor kan observera, kan ekvationen tillämpas för att räkna ut hur ett system kom till den punkt vi ser idag och hur det kan förändras i framtiden, sade Batygin. Och allt är baserat på matte som vanligtvis beskriver otroligt snabba, flyktiga interaktioner.
"Det finns denna spännande ömsesidighet mellan matematiken som styr beteendet i den subatomära världen och matematiken som styr beteendet [och] den långsiktiga utvecklingen av dessa astronomiska saker som utspelar sig på mycket, mycket längre tidsskalor," tillade han. "Det tror jag är en anmärkningsvärd och spännande konsekvens."
Det nya arbetet detaljerades idag (5 mars) i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
