Старая загадка аккреционных дисков имеет новое решение
Согласно новому исследованию Калифорнийского технологического института, движение крошечного количества заряженных частиц может решить давнюю загадку о тонких газовых дисках, вращающихся вокруг молодых звезд. Эти особенности, называемые аккреционными дисками, существуют десятки миллионов лет и являются ранней фазой эволюции Солнечной системы. Они содержат небольшую долю массы звезды, вокруг которой вращаются; представьте кольцо, похожее на Сатурн, размером с Солнечную систему. Их называют аккреционными дисками, потому что газ в этих дисках медленно движется по спирали внутрь к звезде. Ученые давно поняли, что когда происходит это спиралевидное движение внутрь, оно должно заставлять радиально внутреннюю часть диска вращаться быстрее в соответствии с законом сохранения углового момента. Чтобы понять закон сохранения углового момента, подумайте о вращающихся фигуристах: когда их руки вытянуты, они вращаются медленно, но когда они сводят руки, они вращаются быстрее.
Угловой момент пропорционален скорости, умноженной на радиус, а закон сохранения углового момента гласит, что угловой момент в системе остается постоянным. Итак, если радиус фигуриста уменьшается из-за того, что он сводит руки, то единственный способ сохранить постоянный угловой момент — это увеличить скорость вращения. Спиралевидное движение аккреционного диска внутрь подобно фигуристу, втягивающему руки внутрь, и поэтому внутренняя часть аккреционного диска должна вращаться быстрее. Действительно, астрономические наблюдения показывают, что внутренняя часть аккреционного диска действительно вращается быстрее. Любопытно, однако, что он не вращается так быстро, как предсказывает закон сохранения углового момента.
За прошедшие годы исследователи исследовали множество возможных объяснений того, почему угловой момент аккреционного диска не сохраняется. Некоторые считали, что трение между внутренней и внешней вращающимися частями аккреционного диска может замедлять внутреннюю область. Однако расчеты показывают, что внутреннее трение аккреционных дисков пренебрежимо мало. Ведущая современная теория состоит в том, что магнитные поля создают так называемую «магнитовращательную нестабильность», которая порождает газовую и магнитную турбулентность, эффективно формируя трение, замедляющее скорость вращения газа, движущегося внутрь по спирали. «Меня это беспокоило, — говорит Пол Беллан, профессор прикладной физики. «Люди всегда хотят обвинить турбулентность в явлениях, которых они не понимают. Сейчас существует большое кустарное производство, утверждающее, что турбулентность объясняет избавление от углового момента в аккреционных дисках».
Полтора десятилетия назад Беллан начал исследовать этот вопрос, анализируя траектории отдельных атомов, электронов и ионов в газе, образующем аккреционный диск. Его цель состояла в том, чтобы определить, как ведут себя отдельные частицы в газе, когда они сталкиваются друг с другом, а также как они двигаются между столкновениями, чтобы увидеть, можно ли объяснить потерю углового момента без привлечения турбулентности. Как он объяснял на протяжении многих лет в серии статей и лекций, посвященных «основным принципам» — фундаментальному поведению составных частей аккреционных дисков, — на заряженные частицы (то есть электроны и ионы) воздействуют как гравитационные, так и магнитные поля. , тогда как на нейтральные атомы действует только гравитация. Эта разница, как он подозревал, была ключевой.
Аспирант Калифорнийского технологического института Ян Чжан посетил одно из таких выступлений после прохождения курса, на котором он научился моделировать молекулы, сталкивающиеся друг с другом, для получения случайного распределения скоростей в обычных газах, таких как воздух, которым мы дышим. «Я связался с Полом после разговора, мы обсудили его и в конечном итоге решили, что симуляции можно распространить на заряженные частицы, сталкивающиеся с нейтральными частицами в магнитном и гравитационном полях», — говорит Чжан. В конечном итоге Беллан и Чжан создали компьютерную модель вращающегося сверхтонкого виртуального аккреционного диска. Смоделированный диск содержал около 40 000 нейтральных и около 1000 заряженных частиц, которые могли сталкиваться друг с другом, а модель также учитывала эффекты как гравитации, так и магнитного поля. «В этой модели было достаточно деталей, чтобы отразить все основные особенности, — говорит Беллан, — потому что она была достаточно большой, чтобы вести себя точно так же, как триллионы и триллионы сталкивающихся нейтральных частиц, электронов и ионов, вращающихся вокруг звезды в магнитном поле. поле."
Компьютерное моделирование показало, что столкновения между нейтральными атомами и гораздо меньшим количеством заряженных частиц заставят положительно заряженные ионы или катионы двигаться по спирали внутрь к центру диска, в то время как отрицательно заряженные частицы (электроны) будут двигаться по спирали наружу к краю. Тем временем нейтральные частицы теряют угловой момент и, подобно положительно заряженным ионам, спиралевидно движутся внутрь к центру. Тщательный анализ лежащей в основе физики на субатомном уровне — в частности, взаимодействия между заряженными частицами и магнитными полями — показывает, что угловой момент не сохраняется в классическом смысле, хотя то, что называется «каноническим угловым моментом», действительно сохраняется.
Канонический угловой момент представляет собой сумму исходного обычного углового момента плюс дополнительная величина, зависящая от заряда частицы и магнитного поля. Для нейтральных частиц нет разницы между обычным угловым моментом и каноническим угловым моментом, поэтому беспокоиться о каноническом угловом моменте излишне сложно. Но для заряженных частиц — катионов и электронов — канонический угловой момент сильно отличается от обычного углового момента, потому что дополнительная магнитная величина очень велика. Поскольку электроны отрицательны, а катионы положительны, внутреннее движение ионов и внешнее движение электронов, вызванное столкновениями, увеличивает канонический угловой момент обоих. Нейтральные частицы теряют угловой момент в результате столкновений с заряженными частицами и движутся внутрь, что уравновешивает увеличение канонического углового момента заряженных частиц.
Это небольшое различие, но оно имеет огромное значение в масштабе всей Солнечной системы, говорит Беллан, который утверждает, что это тонкое объяснение удовлетворяет закону сохранения канонического углового момента для суммы всех частиц во всем диске; только одна частица из миллиарда должна быть заряжена, чтобы объяснить наблюдаемую потерю углового момента нейтральных частиц. Более того, говорит Беллан, движение катионов внутрь и движение электронов наружу приводит к тому, что диск становится чем-то вроде гигантской батареи с положительным полюсом вблизи центра диска и отрицательным полюсом на краю диска. Такая батарея будет управлять электрическими токами, которые утекают от диска как выше, так и ниже плоскости диска. Эти токи питали бы астрофизические струи, вылетающие из диска в обоих направлениях вдоль оси диска. Действительно, джеты наблюдались астрономами более века, и известно, что они связаны с аккреционными дисками, хотя сила, стоящая за ними, долгое время оставалась загадкой. Статья Беллана и Янга была опубликована в The Astrophysical Journal 17 мая.
