يربط البحث الجديد تشويه الأقراص الكبيرة الحجم من المواد في الكون مع معادلة شرودنغر ، التي تصف السلوك الميكانيكي الكمومي للأجسام الذرية ودون الذرية.
(الصورة: © James Tuttle Keane / معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا)
يمكن أن تعمل الأقراص الضخمة من النجوم أو الحطام تحت نفس القواعد مثل الجسيمات دون الذرية ، والتي تتغير بناءً على معادلة شرودنغر ، التي يستخدمها الفيزيائيون لنمذجة الأنظمة الميكانيكية الكمومية.
كشفت دراسة جديدة أن عرض الهياكل الفضائية باستخدام هذه المعادلة يمكن أن يقدم رؤى جديدة حول كيفية تطور المجرات ، وكذلك الكشف عن أدلة حول آليات النظام الشمسي المبكر وعمل الحلقات التي تدور حول الكواكب البعيدة.
لم يتوقع الباحث في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا كونستانتين باتيجين ، مؤلف الدراسة الجديدة ، أن يجد تلك المعادلة المحددة عند دراسة تلك الأقراص الفيزيائية الفلكية. وقال باتيجين لموقع Space.com: "في ذلك الوقت ، كنت أرضياً تماماً". "كنت أتوقع أن تظهر معادلة الموجة العادية ، شيء من هذا القبيل موجة من سلسلة أو شيء من هذا القبيل. وبدلاً من ذلك ، أحصل على هذه المعادلة ، التي هي في الواقع حجر الزاوية في ميكانيكا الكم." [قرص الكوكب "الصحن الطائر" رائع بشكل مدهش (فيديو)]
باستخدام معادلة شرودنغر ، يمكن للفيزيائيين تفسير تفاعلات الأنظمة على المقاييس الذرية ودون الذرية من حيث الموجات وكذلك الجسيمات - وهو مفهوم رئيسي في ميكانيكا الكم يصف سلوك هذه الأنظمة غير الحدسي في بعض الأحيان. اتضح أن التفاف الأقراص الفيزيائية الفلكية يمكن أن يعمل مثل الجسيمات أيضًا.
قال باتيجين ، الذي ربما يكون معروفًا أكثر (للناس العاديين ، على أي حال): "في وقت لاحق ، عندما أنظر إلى المشكلة الآن ، فوجئت كيف لم أكن أعتقد أن هذا ما سيكون عليه الحال". تأليف دراسة أجريت عام 2016 مع زميل باحث Caltech مايك براون وجدت أدلة على "كوكب تسعة" غير مكتشف محتمل في الأعماق المظلمة لنظامنا الشمسي الخارجي.
انفجار من الماضي
جاء Batygin عبر الاتصال عند تدريس فصل. كان يحاول شرح كيف تنتقل الموجات عبر الأقراص العريضة التي هي عنصر أساسي في هندسة الفضاء - على سبيل المثال ، يتم بناء هذه الأقراص من النجوم حول الثقوب السوداء الهائلة في مركز المجرة ، ومصنوعة من الغبار والحطام في نظام النجوم حديثي الولادة. تنحني الأقراص وتشوه بطريقة معقدة لا يمكن للنمذجة الحالية التعامل معها في جميع المقاييس الزمنية. يمكن للعلماء حساب أفعالهم على مدى فترات زمنية قصيرة جدًا ، مثل ما يحدث على مدار مدارات قليلة ، بالإضافة إلى كيفية تشتيتهم على مدار العمر بالكامل ، ولكن ليس كيف ولماذا سيتغيرون بناءً على مئات الآلاف من السنين.
قال باتيجين: "قد تحدث أشياء ، ولا تعرف حقيقة السبب - إنه نظام معقد ، لذا ترى الأشياء تتكشف ، وترى نوعًا من التطور الديناميكي يتكشف". "ما لم يكن لديك هذا الحدس البدني المعقد بشكل مروع ، فأنت لا تفهم ما يحدث في محاكاة الخاص بك."
لمتابعة تطور القرص ، استعار Batygin خدعة من سبعينيات القرن السابع عشر: حساب الطريقة التي صاغ بها علماء الرياضيات جوزيف لويس لاغرانج وبيير سيمون لابلاس النظام الشمسي كسلسلة من الحلقات العملاقة التي تتبع مدارات الكواكب. في حين لم يكن النموذج مفيدًا في المقاييس الزمنية القصيرة لبعض الدوائر حول الشمس ، إلا أنه يمكن أن يصور بدقة تفاعلات المدارات مع بعضها البعض بمرور الوقت.
بدلًا من نمذجة مدارات الكواكب الفردية ، استخدم Batygin سلسلة من الحلقات الرقيقة والأرق لتمثيل قطع مختلفة من القرص الفيزيائي الفلكي ، مثل طبقات البصل ، يرتبط كل منها بكتلة الأجسام المدارية داخل تلك المنطقة. مع بعضها البعض يمكن أن نموذجا لكيفية التفاف القرص وتغييره.
وعندما أصبح النظام معقدًا جدًا بحيث لا يمكن حسابه يدويًا أو على الكمبيوتر حيث أضاف المزيد من الحلقات ، استخدم اختصارًا رياضيًا للتحويل إلى وصف عدد لا نهائي من الحلقات الرقيقة بلا حدود.
قال باتيجين: "هذه مجرد نتيجة رياضية معروفة على نطاق واسع تستخدم في الفيزياء يسارًا ويمينًا". ولكن ، بطريقة أو بأخرى ، لم يتخذ أي شخص قفزة لنمذجة قرص الفيزياء الفلكية بهذه الطريقة.
قال: "ما يميزني حقًا هو أنه لا يوجد أحد قد طمس الحلقات في سلسلة متصلة من أي وقت مضى". "يبدو واضحا جدا في الماضي ، ولا أعرف لماذا لم أفكر في ذلك في وقت أقرب."
عندما مر Batygin بهذه الحسابات ، وجد المعادلة الناشئة مألوفة بشكل مدهش.
قال: "بالطبع ، إن الاثنين مرتبطان ، أليس كذلك؟ في ميكانيكا الكم ، تعامل الجسيمات كموجات". "في وقت لاحق ، إنه أمر بديهي تقريبًا أن تحصل على شيء مثل معادلة شرودنغر ، ولكن في ذلك الوقت ، فوجئت حقًا." وأضاف أن المعادلة قد ظهرت بشكل غير متوقع من قبل - في أوصاف موجات المحيط ، على سبيل المثال ، وكذلك الطريقة التي يتحرك بها الضوء عبر وسائط غير خطية معينة.
قال باتيجين: "ما يوضحه بحثي هو أن السلوك طويل المدى للأقراص الفيزيائية الفلكية ، والطريقة التي تنحني بها وتشوه ، تنضم إلى هذه المجموعة من السياقات الكلاسيكية التي يمكن فهمها في إطار كمّي بشكل أساسي".
تثير النتائج الجديدة تشابهًا مثيرًا للاهتمام بين الحالتين: الطريقة التي تنتقل بها الأمواج عبر الأقراص الفيزيائية الفلكية ، التي ترتد عن الحواف الداخلية والخارجية ، تعادل كيف يرتد جسيم كمي واحد ذهابًا وإيابًا بين جدارين ، على حد قوله.
إن العثور على هذا المعادلة له نتيجة واحدة مثيرة للاهتمام: كان باتيجين قادرًا على استعارة بعض العمل الذي قام به الباحثون الذين درسوا بالفعل وعملوا من خلال هذا الوضع الكمّي على نطاق واسع ، ثم يفسرون المعادلة في هذا السياق الجديد لفهم كيفية استجابة الأقراص للسحب الخارجي و الاضطرابات.
وقال جريج لافلين ، عالِم الفيزياء الفلكية بجامعة ييل ، والذي لم يكن مشاركًا في الدراسة ، لموقع Space.com: "يتمتع الفيزيائيون بخبرة كبيرة في معادلة شرودنغر ؛ إنها قادمة منذ 100 عام الآن". "وذهب الكثير من التفكير العميق إلى فهم تداعياتها. وبذلك يمكن تطبيق الصرح بأكمله الآن على تطور الأقراص".
"وبالنسبة لشخص مثلي - من المسلم به أن لديه إحساسًا أفضل ، على الرغم من أنه غير كامل ، بما تفعله الأقراص البروتستيلار - وهذا أيضًا يمنح الفرصة للذهاب في الاتجاه الآخر وربما الحصول على بعض الأفكار العميقة في الأنظمة الكمومية باستخدام تشبيه القرص". تمت الإضافة. "أعتقد أنه سيثير الكثير من الاهتمام والاهتمام ، وربما الذعر. وفي النهاية أعتقد أنه سيكون تطورًا مثيرًا للاهتمام حقًا."
إطار من التفاهم
يتطلع Batygin إلى تطبيق المعادلة لفهم العديد من الجوانب المختلفة للأقراص الفيزيائية الفلكية.
قال باتيجين: "ما قدمته في هذه الورقة هو إطار عمل". "لقد هاجمت مشكلة واحدة خاصة بها ، وهي مشكلة صلابة القرص - إلى أي مدى يمكن أن يبقى القرص جامدًا في ظل الاضطرابات الخارجية. هناك مجموعة واسعة من التطبيقات الإضافية التي أبحث عنها في الوقت الحالي."
وقال باتيجين إن أحد الأمثلة على ذلك هو تطور قرص الحطام الذي شكل نظامنا الشمسي في نهاية المطاف. آخر هو ديناميات الحلقات حول الكواكب خارج المجموعة الشمسية. والثالث هو قرص النجوم المحيط بالثقب الأسود في مركز درب التبانة ، والذي ينحني بشدة.
وأشار لافلين إلى أن العمل يجب أن يكون مفيدًا بشكل خاص في تحسين فهم الباحثين لأنظمة النجوم حديثي الولادة لأن من الصعب ملاحظتها من بعيد ، ولا يستطيع الباحثون حاليًا محاكاة تطورهم من البداية إلى النهاية.
وقال: "إن الإطار الرياضي الذي وضعه كونستانتين هو مثال جيد على شيء قد يساعدنا حقًا على فهم كيفية تصرف الأشياء التي يبلغ عمرها مئات الآلاف من المدارات ، مثل القرص المكون للكوكب".
وفقًا لفريد آدامز ، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة ميشيغان الذي لم يشارك في الدراسة ، فإن هذا العمل الجديد مفيد للغاية للأنظمة التي تلغي فيها تأثيرات الجاذبية واسعة النطاق. بالنسبة للأنظمة ذات التأثيرات الجاذبية الأكثر تعقيدًا ، مثل المجرات ذات الأذرع الحلزونية المتميزة ، ستكون هناك حاجة إلى بعض إستراتيجيات النمذجة الأخرى. ولكن بالنسبة لهذه الفئة من المشاكل ، فهو اختلاف مثير للاهتمام حول تقريب الموجات في الأقراص الفيزيائية الفلكية ، على حد قوله.
قال آدامز: "البحث في أي مجال ، بما في ذلك الأقراص المحيطة ، يستفيد دائمًا من تطوير واستخدام أدوات جديدة". "تمثل هذه الورقة تطوير أداة تحليلية جديدة ، أو تطور جديد للأدوات القديمة ، اعتمادًا على كيفية نظرتك إليها. وفي كلتا الحالتين ، إنها قطعة أخرى من اللغز الأكبر."
سيسمح الإطار للباحثين بفهم الهياكل التي يراها الفلكيون في سماء الليل بطريقة جديدة: في حين أن هذه الأقراص تتغير على فترات زمنية أطول بكثير مما يمكن أن يلاحظه البشر ، يمكن تطبيق المعادلة لمعرفة كيفية وصول النظام إلى النقطة التي نراها قال باتيجين اليوم وكيف يمكن أن يتغير في المستقبل. وكل ذلك يعتمد على الرياضيات التي تصف عادة التفاعلات السريعة والرائعة بشكل لا يصدق.
وأضاف: "هناك هذه المعاملة بالمثل المثيرة للفضول بين الرياضيات التي تحكم سلوك العالم دون الذري والرياضيات التي تحكم السلوك [و] التطور طويل الأمد لهذه الأشياء الفلكية التي تتكشف على فترات زمنية أطول بكثير". أعتقد أن هذه نتيجة رائعة ومثيرة للاهتمام.
تم تفصيل العمل الجديد اليوم (5 مارس) في مجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
