Neue Forschungen verknüpfen das Verziehen großer Materialscheiben im Universum mit der Schrödinger-Gleichung, die das quantenmechanische Verhalten atomarer und subatomarer Objekte beschreibt.
(Bild: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
Enorme Scheiben von Sternen oder Trümmern können nach den gleichen Regeln wie subatomare Teilchen arbeiten und sich basierend auf der Schrödinger-Gleichung ändern, mit der Physiker quantenmechanische Systeme modellieren.
Das Betrachten von Weltraumstrukturen mit dieser Gleichung kann neue Erkenntnisse über die Entwicklung von Galaxien liefern und Hinweise auf die Mechanik des frühen Sonnensystems und die Wirkung von Ringen geben, die entfernte Planeten umkreisen, berichtet eine neue Studie.
Der Forscher des California Institute of Technology, Konstantin Batygin, Autor der neuen Studie, hatte nicht erwartet, diese spezielle Gleichung bei der Untersuchung dieser astrophysikalischen Scheiben zu finden. "Zu der Zeit war ich völlig fertig", sagte Batygin gegenüber Space.com. "Ich hatte erwartet, dass die reguläre Wellengleichung erscheint, so etwas wie die Welle einer Saite oder so etwas. Und stattdessen bekomme ich diese Gleichung, die wirklich der Eckpfeiler der Quantenmechanik ist." [Planet-Building 'Flying Saucer' Disk ist überraschend cool (Video)]
Mit der Schrödinger-Gleichung können Physiker die Wechselwirkungen von Systemen auf atomarer und subatomarer Ebene sowohl in Bezug auf Wellen als auch auf Teilchen interpretieren - ein Schlüsselkonzept in der Quantenmechanik, das das manchmal unintuitive Verhalten dieser Systeme beschreibt. Es stellt sich heraus, dass das Verziehen astrophysikalischer Scheiben auch wie Partikel wirken kann.
"Wenn ich mir das Problem jetzt im Nachhinein anschaue, bin ich überrascht, dass ich nicht einfach erraten habe, dass es so sein wird", sagte Batygin, der vielleicht (für Laien jedenfalls) am bekanntesten für seine Zusammenarbeit ist. Verfassen einer Studie von 2016 mit dem Kollegen von Caltech, Mike Brown, die Hinweise auf einen möglichen unentdeckten "Planeten Neun" in den dunklen Tiefen unseres äußeren Sonnensystems fand.
Explosion aus der Vergangenheit
Batygin stieß beim Unterrichten einer Klasse auf die Verbindung. Er versuchte zu erklären, wie sich Wellen durch die breiten Scheiben bewegen, die ein Grundnahrungsmittel der Weltraumarchitektur sind. Beispielsweise bestehen solche Scheiben aus Sternen um supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum einer Galaxie und bestehen aus Staub und Trümmern in einem neugeborenen Sternensystem. Die Datenträger biegen und verziehen sich auf komplexe Weise, die die aktuelle Modellierung nicht auf allen Zeitskalen verarbeiten kann. Wissenschaftler können ihre Aktionen über sehr kurze Zeiträume berechnen, z. B. was über einige Umlaufbahnen geschieht und wie sie sich über ein ganzes Leben verteilen, aber nicht wie und warum sie sich in der Größenordnung von Hunderttausenden von Jahren ändern.
"Dinge könnten passieren, und Sie wissen nicht wirklich warum - es ist ein kompliziertes System, also sehen Sie nur, wie sich Dinge entfalten, wie sich eine Art dynamische Evolution entfaltet", sagte Batygin. "Wenn Sie nicht diese ungeheuer komplizierte physische Intuition haben, verstehen Sie einfach nicht, was in Ihrer Simulation vor sich geht."
Um die Entwicklung einer Scheibe zu verfolgen, lieh sich Batygin einen Trick aus den 1770er Jahren aus: Er berechnete die Art und Weise, wie die Mathematiker Joseph-Louis Lagrange und Pierre-Simon Laplace das Sonnensystem als eine Reihe von Riesenschleifen modellierten, die den Umlaufbahnen der Planeten folgten. Während das Modell auf kurzen Zeitskalen einiger Schaltkreise um die Sonne nicht hilfreich war, konnte es die Wechselwirkungen der Umlaufbahnen untereinander im Laufe der Zeit genau darstellen.
Anstatt die Umlaufbahnen einzelner Planeten zu modellieren, verwendete Batygin eine Reihe dünnerer und dünnerer Ringe, um verschiedene Teile der astrophysikalischen Scheibe darzustellen, wie Zwiebelschichten, die jeweils an die Masse der umlaufenden Körper in dieser Region gebunden sind. Die Gravitationswechselwirkungen der Ringe miteinander könnten modellieren, wie sich die Festplatte verziehen und verändern würde.
Und als das System zu kompliziert wurde, um von Hand oder am Computer berechnet zu werden, als er weitere Ringe hinzufügte, verwendete er eine mathematische Verknüpfung, um eine unendliche Anzahl von unendlich dünnen Ringen zu beschreiben.
"Dies ist nur ein allgemein bekanntes mathematisches Ergebnis, das in der Physik links und rechts verwendet wird", sagte Batygin. Aber irgendwie hatte niemand den Sprung gewagt, eine astrophysikalische Scheibe auf diese Weise zu modellieren.
"Was für mich wirklich bemerkenswert ist, ist, dass noch nie jemand [die Ringe] zu einem Kontinuum verwischt hat", sagte er. "Im Nachhinein scheint es so offensichtlich zu sein, und ich weiß nicht, warum ich nicht früher daran gedacht habe."
Als Batygin diese Berechnungen durchging, fand er die aufkommende Gleichung überraschend vertraut.
"Natürlich sind die beiden verwandt, oder? In der Quantenmechanik behandeln Sie Teilchen als Wellen", sagte er. "Rückblickend ist es fast intuitiv, dass man so etwas wie die Schrödinger-Gleichung bekommt, aber damals war ich wirklich überrascht." Die Gleichung sei unerwartet aufgetaucht, fügte er hinzu - zum Beispiel bei Beschreibungen von Meereswellen sowie der Art und Weise, wie sich Licht durch bestimmte nichtlineare Medien bewegt.
"Meine Forschung zeigt, dass das Langzeitverhalten astrophysikalischer Scheiben, die Art und Weise, wie sie sich biegen und verziehen, zu dieser Gruppe klassischer Kontexte gehört, die in einem im Wesentlichen quantenbezogenen Rahmen verstanden werden können", sagte Batygin.
Die neuen Ergebnisse werfen eine interessante Analogie zwischen den beiden Situationen auf: Die Art und Weise, wie Wellen durch astrophysikalische Scheiben wandern und von den Innen- und Außenkanten abprallen, entspricht der Art und Weise, wie ein einzelnes Quantenteilchen zwischen zwei Wänden hin und her springt, sagte er.
Das Finden dieser Äquivalenz hat eine interessante Konsequenz: Batygin konnte einen Teil der Arbeit von Forschern ausleihen, die diese Quantensituation bereits ausführlich untersucht und durchgearbeitet haben, und dann die Gleichung in diesem neuen Kontext interpretieren, um zu verstehen, wie Scheiben auf externe Zugkräfte reagieren und Störungen.
"Physiker haben viel Erfahrung mit der Schrödinger-Gleichung; sie wird jetzt 100 Jahre alt", sagte Greg Laughlin, Astrophysiker an der Yale University, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Space.com. "Und viele sehr tiefe Gedanken haben sich mit dem Verständnis seiner Auswirkungen befasst. Und so kann dieses ganze Gebäude jetzt auf die Entwicklung von Festplatten angewendet werden."
"Und für jemanden wie mich, der zugegebenermaßen ein besseres, wenn auch unvollkommenes Gespür dafür hat, was Protostellarscheiben tun, bietet dies auch die Möglichkeit, in die andere Richtung zu gehen und vielleicht mithilfe der Scheibenanalogie einen tieferen Einblick in Quantensysteme zu erhalten", sagte er hinzugefügt. "Ich denke, dass es viel Aufmerksamkeit und Interesse erregen wird, wahrscheinlich Bestürzung. Und letztendlich denke ich, dass es eine wirklich interessante Entwicklung sein wird."
Ein Rahmen des Verstehens
Batygin freut sich darauf, die Gleichung anzuwenden, um viele verschiedene Facetten astrophysikalischer Scheiben zu verstehen.
"Was ich in diesem Papier vorgestellt habe, ist ein Rahmen", sagte Batygin. "Ich habe damit ein bestimmtes Problem angegriffen, nämlich das Problem der Festplattensteifigkeit - das Ausmaß, in dem die Festplatte unter externen Störungen gravitativ starr bleiben kann. Es gibt eine breite Palette zusätzlicher Anwendungen, die ich derzeit untersuche."
Ein Beispiel ist die Entwicklung der Trümmerscheibe, die schließlich unser Sonnensystem bildete, sagte Batygin. Ein weiterer Grund ist die Dynamik von Ringen um extrasolare Planeten. Und ein dritter ist die Sternscheibe, die das Schwarze Loch in der Mitte der Milchstraße umgibt, die selbst stark gebogen ist.
Laughlin merkte an, dass die Arbeit besonders hilfreich sein sollte, um das Verständnis der Forscher für neugeborene Sternensysteme zu verbessern, da sie aus der Ferne schwerer zu beobachten sind und Forscher ihre Entwicklung derzeit nicht von Anfang bis Ende simulieren können.
"Der mathematische Rahmen, den Konstantin zusammengestellt hat, ist ein gutes Beispiel für etwas, das uns wirklich helfen könnte zu verstehen, wie sich Objekte, die Hunderttausende von Umlaufbahnen alt sind, wie eine planetbildende Scheibe, verhalten", sagte er.
Laut Fred Adams, einem Astrophysiker an der Universität von Michigan, der nicht an der Studie beteiligt war, ist diese neue Arbeit am nützlichsten für Systeme, bei denen sich großräumige Gravitationseffekte aufheben. Für Systeme mit komplizierteren Gravitationseinflüssen wie Galaxien mit sehr unterschiedlichen Spiralarmen ist eine andere Modellierungsstrategie erforderlich. Aber für diese Klasse von Problemen ist es eine interessante Variation der Approximation von Wellen in astrophysikalischen Scheiben, sagte er.
"Die Forschung in allen Bereichen, einschließlich zirkumstellarer Festplatten, profitiert immer von der Entwicklung und Verwendung neuer Tools", sagte Adams. "Dieses Papier stellt die Entwicklung eines neuen Analysewerkzeugs oder eine neue Variante älterer Werkzeuge dar, je nachdem, wie Sie es betrachten. In beiden Fällen ist es ein weiteres Teil des größeren Puzzles."
Das Framework wird es Forschern ermöglichen, die Strukturen, die Astronomen am Nachthimmel sehen, auf eine neue Art und Weise zu verstehen: Während sich diese Scheiben auf weitaus längeren Zeitskalen ändern, als Menschen beobachten können, kann die Gleichung angewendet werden, um herauszufinden, wie ein System zu dem Punkt gelangt ist, den wir sehen heute und wie es sich in Zukunft ändern könnte, sagte Batygin. Und alles basiert auf Mathematik, die normalerweise unglaublich schnelle, flüchtige Interaktionen beschreibt.
"Es gibt diese faszinierende Reziprozität zwischen der Mathematik, die das Verhalten der subatomaren Welt regelt, und der Mathematik, die das Verhalten und die langfristige Entwicklung dieser astronomischen Dinge regelt, die sich auf viel, viel längeren Zeitskalen entfalten", fügte er hinzu. "Das ist meiner Meinung nach eine bemerkenswerte und faszinierende Konsequenz."
Die neue Arbeit wurde heute (5. März) in der Zeitschrift Monthly Notices der Royal Astronomical Society beschrieben.
