Una nuova ricerca lega la deformazione dei dischi su larga scala di materiale nell'universo con l'equazione di Schrodinger, che descrive il comportamento meccanico quantistico degli oggetti atomici e subatomici.
(Immagine: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Enormi dischi di stelle o detriti possono operare secondo le stesse regole delle particelle subatomiche, cambiando in base all'equazione di Schrodinger, che i fisici usano per modellare i sistemi quantomeccanici.
Osservare le strutture spaziali con quell'equazione può dare nuove intuizioni su come si evolvono le galassie, oltre a rivelare indizi sulla meccanica del primo sistema solare e sull'azione degli anelli che circondano pianeti distanti, secondo un nuovo studio.
Il ricercatore del California Institute of Technology Konstantin Batygin, autore del nuovo studio, non si aspettava di trovare quella particolare equazione quando studiava quei dischi astrofisici. "All'epoca, ero completamente senza parole", ha detto Batygin a Space.com. "Mi aspettavo che apparisse l'equazione delle onde regolari, qualcosa come l'onda di una stringa o qualcosa del genere. E invece, ottengo questa equazione, che è davvero la pietra angolare della meccanica quantistica." [Il disco 'Flying Saucer' del Planet Building è sorprendentemente bello (Video)]
Usando l'equazione di Schrodinger, i fisici possono interpretare le interazioni dei sistemi su scala atomica e subatomica in termini di onde e particelle - un concetto chiave nella meccanica quantistica che descrive il comportamento a volte non intuitivo di quei sistemi. Si scopre che anche la deformazione dei dischi astrofisici può agire come particelle.
"In retrospettiva, quando guardo il problema ora, sono sorpreso di non aver immaginato che fosse quello che sarebbe stato", ha detto Batygin, che è forse il più noto (ai laici, comunque) per co- autore di uno studio del 2016 con il collega ricercatore di Caltech Mike Brown che ha trovato prove di un possibile "Pianeta Nove" da scoprire nelle profondità oscure del nostro sistema solare esterno.
Scoppio dal passato
Batygin ha trovato la connessione durante l'insegnamento di una classe. Stava cercando di spiegare come le onde viaggiano attraverso gli ampi dischi che sono un alimento base dell'architettura spaziale - per esempio, tali dischi sono costruiti di stelle attorno a buchi neri supermassicci al centro di una galassia e fatti di polvere e detriti in un sistema stellare appena nato. I dischi si piegano e si deformano in un modo complesso che la modellazione corrente non può gestire su tutte le scale temporali. Gli scienziati possono calcolare le loro azioni in tempi molto brevi, come ciò che accade in poche orbite, nonché il modo in cui si disperderanno per un'intera vita, ma non come e perché cambieranno nell'ordine di centinaia di migliaia di anni.
"Le cose potrebbero accadere e non sai davvero perché - è un sistema complicato, quindi vedi solo cose che si svolgono, vedi una sorta di evoluzione dinamica svolgersi", ha detto Batygin. "A meno che tu non abbia questa intuizione fisica mostruosamente complicata, non capisci cosa sta succedendo nella tua simulazione."
Per seguire lo sviluppo di un disco, Batygin prese in prestito un trucco del 1770: calcolare il modo in cui i matematici Joseph-Louis Lagrange e Pierre-Simon Laplace modellarono il sistema solare come una serie di anelli giganti che seguivano le orbite dei pianeti. Sebbene il modello non sia stato utile su brevi scale temporali di alcuni circuiti attorno al sole, potrebbe rappresentare con precisione le interazioni delle orbite tra loro nel tempo.
Invece di modellare le orbite dei singoli pianeti, Batygin ha usato una serie di anelli sempre più sottili per rappresentare diversi pezzi del disco astrofisico, come strati di una cipolla, ciascuno legato alla massa dei corpi orbitanti all'interno di quella regione. l'uno con l'altro potrebbe modellare come il disco si deformerebbe e cambierebbe.
E quando il sistema è diventato troppo complicato per calcolare a mano o sul computer quando ha aggiunto più anelli, ha usato una scorciatoia matematica per convertire per descrivere un numero infinito di anelli infinitamente sottili.
"Questo è solo un risultato matematico ampiamente noto che viene utilizzato nella fisica sinistra e destra", ha detto Batygin. Tuttavia, in qualche modo, nessuno aveva fatto il salto per modellare un disco astrofisico in quel modo.
"Ciò che è veramente straordinario per me è che nessuno ha mai sfocato [gli anelli] in un continuum mai prima d'ora", ha detto. "Sembra così ovvio in retrospettiva e non so perché non ci abbia pensato prima."
Quando Batygin eseguì questi calcoli, trovò l'equazione emergente sorprendentemente familiare.
"Certo, i due sono correlati, giusto? Nella meccanica quantistica, trattate le particelle come onde", ha detto. "In retrospettiva, è quasi intuitivo che dovresti ottenere qualcosa di simile all'equazione di Schrodinger, ma al momento, sono rimasto davvero sorpreso." L'equazione è spuntata inaspettatamente in precedenza, ha aggiunto - nelle descrizioni delle onde dell'oceano, per esempio, così come il modo in cui la luce si muove attraverso determinati media non lineari.
"Ciò che la mia ricerca dimostra è che il comportamento a lungo termine dei dischi astrofisici, il modo in cui si piegano e si deformano, si unisce a questo gruppo di contesti classici che possono essere compresi in una struttura essenzialmente quantistica", ha affermato Batygin.
I nuovi risultati sollevano un'interessante analogia tra le due situazioni: il modo in cui le onde viaggiano attraverso i dischi astrofisici, rimbalzando sui bordi interno ed esterno, equivale a come una singola particella quantistica rimbalza avanti e indietro tra due pareti, ha detto.
Trovare questa equivalenza ha una conseguenza interessante: Batygin è stato in grado di prendere in prestito parte del lavoro svolto da ricercatori che hanno già studiato e lavorato ampiamente su questa situazione quantistica, e quindi interpretare l'equazione in questo nuovo contesto per capire come i dischi rispondono ai pull esterni e perturbazioni.
"I fisici hanno molta esperienza con l'equazione di Schrodinger; sta arrivando a 100 anni ormai", ha detto a Space.com Greg Laughlin, un astrofisico dell'Università di Yale che non era coinvolto nello studio. "E un sacco di pensiero molto profondo è andato nella comprensione delle sue ramificazioni. E così l'intero edificio ora può essere applicato all'evoluzione dei dischi."
"E per qualcuno come me - che ha certamente un senso migliore, anche se imperfetto, di ciò che fanno i dischi protostellari - questo offre anche l'opportunità di andare dall'altra parte e forse ottenere una visione più approfondita dei sistemi quantistici usando l'analogia del disco", ha aggiunto. "Penso che susciterà molta attenzione e interesse, probabilmente costernazione. E alla fine penso che sarà uno sviluppo davvero interessante."
Un quadro di comprensione
Batygin non vede l'ora di applicare l'equazione per comprendere molte diverse sfaccettature dei dischi astrofisici.
"Quello che ho presentato in questo documento è un quadro", ha detto Batygin. "Ho attaccato un particolare problema con esso, che è il problema della rigidità del disco: la misura in cui il disco può rimanere gravitazionalmente rigido in presenza di perturbazioni esterne. Al momento esiste un'ampia gamma di applicazioni aggiuntive che sto esaminando."
Un esempio è l'evoluzione del disco di detriti che alla fine ha formato il nostro sistema solare, ha detto Batygin. Un altro è la dinamica degli anelli attorno ai pianeti extrasolari. E un terzo è il disco di stelle che circonda il buco nero al centro della Via Lattea, che a sua volta è fortemente piegato.
Laughlin ha osservato che il lavoro dovrebbe essere particolarmente utile per migliorare la comprensione da parte dei ricercatori dei sistemi stellari neonati perché sono più difficili da osservare da lontano e attualmente i ricercatori non possono simulare il loro sviluppo dall'inizio alla fine.
"Il quadro matematico che Konstantin ha messo insieme è un buon esempio di qualcosa che potrebbe davvero aiutarci a capire come si comportano gli oggetti che sono vecchi di centinaia di migliaia di orbite, come un disco che forma un pianeta", ha detto.
Secondo Fred Adams, un astrofisico dell'Università del Michigan che non era coinvolto nello studio, questo nuovo lavoro è molto utile per i sistemi in cui gli effetti della gravità su larga scala si annullano. Per i sistemi con influenze gravitazionali più complicate, come le galassie con bracci a spirale molto distinti, saranno necessarie alcune altre strategie di modellazione. Ma per questa classe di problemi, è una variazione interessante sulle onde approssimative nei dischi astrofisici, ha detto.
"La ricerca in qualsiasi campo, compresi i dischi circumstellar, beneficia sempre dello sviluppo e dell'uso di nuovi strumenti", ha affermato Adams. "Questo documento rappresenta lo sviluppo di un nuovo strumento analitico, o una nuova svolta sugli strumenti più vecchi, a seconda di come lo guardi. Ad ogni modo, è un altro pezzo del puzzle più grande."
Il framework consentirà ai ricercatori di comprendere le strutture che gli astronomi vedono nel cielo notturno in un modo nuovo: mentre questi dischi cambiano su scale temporali molto più lunghe di quelle che gli umani possono osservare, l'equazione può essere applicata per capire come un sistema è arrivato al punto che vediamo oggi e come potrebbe cambiare in futuro, ha detto Batygin. Ed è tutto basato sulla matematica che di solito descrive interazioni incredibilmente veloci e fugaci.
"C'è questa intrigante reciprocità tra la matematica che governa il comportamento del mondo subatomico e la matematica che governa il comportamento [e] l'evoluzione a lungo termine di queste cose astronomiche che si svolgono su scale temporali molto, molto più lunghe", ha aggiunto. "Questa, penso, è una conseguenza notevole e intrigante."
Il nuovo lavoro è stato dettagliato oggi (5 marzo) sulla rivista Monthly Avvisi della Royal Astronomical Society.
