Mysteriet om varför solsystemets inre inte snurrar snabbare kan vara löst.

 

Rörelsen hos ett litet antal laddade partiklar kan lösa ett långvarigt mysterium. Detta enligt en ny studie från Caltech (California Institute of Technology). Mysteriet handlar om tunna gasskivor som roterar runt unga stjärnor,

Dessa gasskivor kallas ackretionsskivor  och existerar i tiotals miljoner år i en tidig fas av solsystems utveckling. De innehåller en liten bråkdel av massan av stjärnan runt vilken de sveper. Namnet ackretionsskiva kommer av att gasen i dessa skivor snurrar i spiralform långsamt in mot stjärnan. Något som enligt forskare och fysiken bör göra att den radiellt inre delen av skivan snurrar snabbare enligt lagen om bevarande av vinkelmomentet. För att förstå bevarandet av vinkelmomentet, tänk på snurrande konståkare: när armarna är utsträckta snurrar de långsamt, men när de drar in armarna snurrar de snabbare. 

Vinkelmomentet är proportionellt mot hastigheten gånger radien, och lagen om bevarande av vinkelmomentet säger att vinkelmomentet i ett system förblir konstant. Så om åkarens radie minskar för att de har dragit in armarna, är det enda sättet att hålla vinkelmomentet konstant att öka rotationshastigheten.

Men det stämmer inte i fallet med ackretionsskivan runt en stjärna.  Den inre delen av ackretionsskivan snurrar snabbare. Men den snurrar inte så snabbt som förutspåtts av lagen om bevarande av rörelsemängdsmomentet. 

Forskare har längre undersökt många möjliga förklaringar till varför ackretionsskivans rörelsemängdsmoment inte bevaras (likt konståkarens ovan gör). Viss friktion mellan de inre och yttre roterande delarna av ackretionsskivan kan sakta ner den inre regionen. Beräkningar visar dock att ackretionsskivor har försumbar inre friktion. Den ledande nuvarande teorin är att magnetfält skapar det som kallas en "magnetorotationell instabilitet" som genererar gas och magnetisk turbulens vilket då ger den friktion man anser bör finnas som saktar ner rotationshastigheten för inåtgående spiralgas i ackretionsskivan.

Paul Bellan, professor i tillämpad fysik säger bekymrat. – Folk vill alltid skylla på turbulens för fenomen de inte förstår.

För ett och ett halvt decennium sedan började Bellan undersöka frågan genom att analysera banorna hos enskilda atomer, elektroner och joner i de gaser som utgör ackretionsskivor. Hans mål var att bestämma hur de enskilda partiklarna i gasen beter sig då de kolliderar med varandra liksom hur de rör sig mellan kollisionerna för att se om rörelsemängdsmomentförlust kunde förklaras utan att turbulens var inblandat.

Yang Zhang doktorand vid Caltech deltog i ett av dessa samtal om fenomenet efter att ha tagit en kurs där han lärde sig att skapa datasimuleringar av molekyler när de kolliderar med varandra för att producera slumpmässiga fördelningar av hastighet i vanliga gaser såsom i den luft vi andas. Zhang säger "Jag kontaktade Paul efter samtalet där vi diskuterade detta och bestämde mig slutligen för att simuleringarna skulle kunna utvidgas till laddade partiklar (katjoner) som kolliderar med neutrala partiklar i magnet- och gravitationsfält".

I slutändan skapade Bellan och Zhang en datormodell av en snurrande, supertunn, virtuell ackretionsskiva. Den simulerade skivan innehöll cirka 40000 neutrala och cirka 1000 laddade partiklar som kunde kollidera med varandra, och modellen tog också hänsyn till effekterna av både gravitation och ett magnetfält. Bellan säger, "Den här modellen hade precis rätt mängd detaljer för att fånga alla väsentliga funktioner eftersom den var tillräckligt stor för att bete sig precis som biljoner på biljoner kolliderande neutrala partiklar, elektroner och joner som kretsar kring en stjärna i ett magnetfält."

Datorsimuleringen visade kollisioner mellan neutrala atomer och ett betydligt mindre antal laddade partiklar skulle orsaka positivt laddade joner vilka fick en spiralrörelse inåt mot mitten av skivan, medan negativt laddade partiklar (elektroner) tog en spiralform utåt mot kanten. Neutrala partiklar förlorade under tiden vinkelmomentet under det att de positivt laddade jonernas spiralrörelse gick inåt mot mitten.

 

En noggrann analys av den underliggande fysiken på subatomär nivå - i synnerhet interaktionen mellan laddade partiklar och magnetfält - visar att vinkelmomentet inte bevaras i klassisk mening även om något som kallas " The canonical momentum " bevaras.

The canonical momentum är summan av det ursprungliga vinkelmomentet plus en ytterligare kvantitet som beror på laddningen i en partikel och magnetfältet. För neutrala partiklar finns det ingen skillnad mellan vanligt vinkelmoment och The canonical momentum att oroa sig för The canonical momentum är därmed onödigt komplicerat. Men för laddade partiklar - katjoner och elektroner - skiljer sig det kanoniska vinkelmomentet mycket från det vanliga vinkelmomentet eftersom den extra magnetiska kvantiteten är betydande.

Då elektroner är negativa och katjoner är positiva, ökar jonernas inre rörelse och elektronernas utåtgående rörelse vilken orsakas av kollisioner, innebärande The canonical momentum hos båda. Neutrala partiklar förlorar vinkelmomentet som ett resultat av kollisioner med de laddade partiklarna och rör sig inåt, vilket balanserar ökningen av det laddade partikelkanoniska vinkelmomentet.

Det är en liten skillnad, men gör en enorm skillnad i solsystemomfattande skala, säger Bellan, som hävdar att denna subtila redovisning uppfyller lagen om bevarande av The canonical momentum för summan av alla partiklar i hela skivan; endast cirka en av en miljard partiklar behöver laddas för att förklara den observerade förlusten av vinkelmomentet hos de neutrala partiklarna.

Bellan och Yangs artikel om arbetet och slutledning har titeln "Neutral-charged-particle Collisions as the Mechanism for Accretion Disk Angular Momentum Transport" och publicerades i Astrophysical Journal den 17 maj. Finansiering för denna forskning kom från National Science Foundation.

Bild vikipedia på planeter och dvärgplaneter i solsystemet. Planeternas storlek är i skala, men inte det relativa avståndet till solen.