מדוע החלק הפנימי של מערכת השמש אינו מסתובב מהר יותר?

מדוע החלק הפנימי של מערכת השמש אינו מסתובב מהר יותר?

החומר בדיסק הצטברות חייב לאבד תנע זוויתי כשהוא נע בצורה רדיאלית פנימה, אבל איך זה עובד כבר מזמן בגדר תעלומה. הגז שבתוך הדסקיות מסתחרר באיטיות לכיוון הכוכב.

ספירלה פנימית זו גורמת לחלק הפנימי הרדיאלי של הדיסק להסתובב מהר יותר, על פי חוק שימור התנע הזוויתי. חוק שימור התנע הזוויתי קובע כי התנע הזוויתי של מערכת נשאר קבוע. תנע זוויתי הוא פרופורציונלי למהירות כפול רדיוס. לכן, הגדלת מהירות הסיבוב היא השיטה היחידה לשמור על מומנטום זוויתי אם הרדיוס של המחליק יורד עקב משיכת זרועותיו.

תצפיות אסטרונומיות מראות שהחלק הפנימי של דיסק צבירה מסתובב מהר יותר. עם זאת, מעניין לציין שהוא אינו מסתובב במהירות כפי שנחזה על ידי חוק שימור המומנטום הזוויתי. במהלך השנים, ה מדענים חקרו מספר הסברים אפשריים מדוע התנע הזוויתי של דיסק ההצטברות אינו נשמר.

יש שהשערו שהאזור הפנימי של דיסק ההצטברות יתכווץ עקב חיכוך בין החלק הפנימי והחיצוני המסתובב. חישובים, לעומת זאת, מראים שלדיסקי הצבירה יש קונפליקט פנימי זניח. על פי ההשערה הרווחת כיום, שדות מגנטיים גורמים לתופעה של "אי יציבות מגנטית-סיבובית" שגורמת לייצור של מערבולות מגנטיות וגז, ובכך מאט את סיבוב הגז המתגלגל פנימה.

פול בלאן, פרופסור לפיזיקה יישומית, אמר, "זה הדאיג אותי. אנשים תמיד רוצים להאשים את המהומה בתופעות שהם לא מבינים. יש עכשיו תעשיית קוטג'ים גדולה שטוענת שהמערבולת אחראית לביטול המומנטום הזוויתי בדיסקות הצבירה".

לפני כמעט 15 שנה, בלאן החל לחקור את הנושא על ידי ניתוח מסלולים של אטומים בודדים, אלקטרונים ויונים בגז המרכיב את דיסק הצבירה. הוא רצה לקבוע כיצד מתנהגים החלקיקים הבודדים בגז לאחר שהם מתנגשים זה בזה ואת תנועתם בין התנגשויות כדי לראות אם ניתן להסביר את אובדן התנע הזוויתי מבלי להפעיל מערבולות. שנים בסדרה של מאמרים - ההתנהגות הבסיסית של החלקים המרכיבים של דיסקות צבירה - חלקיקים טעונים (כלומר אלקטרונים ויונים) מושפעים הן משדות הכבידה והן משדות מגנטיים. לעומת זאת, אטומים ניטרליים מושפעים רק מכוח הכבידה. ההבדל הזה היה חיוני.

סטודנט לתואר שני ב-Caltech, יאנג ג'אנג, אמר: "פניתי לפול לאחר ההרצאה, שוחחנו ולבסוף החלטנו שניתן להרחיב את ההדמיות לחלקיקים המתנגשים עם חלקיקים ניטרליים בשדות מגנטיים וגם בשדות כבידה".

בסופו של דבר, בלאן וג'אנג יצרו דגם מחשב של דיסק צבירה וירטואלי מסתובב ודק במיוחד. הדיסק המדומה הכילה כ-40.000 חלקיקים ניטרליים וכ-1.000 חלקיקים טעונים שעלולים להתנגש זה בזה, והמודל לקח בחשבון גם את השפעות הכבידה והשדה המגנטי.

בלאן אמר, "לדגם הזה היה בדיוק את כמות הפרטים הנכונה כדי ללכוד את כל המאפיינים החיוניים כי הוא היה גדול מספיק כדי להתנהג כמו טריליונים כאשר הוא מתנגש עם חלקיקים ניטרליים, אלקטרונים ויונים המקיפים כוכב בשדה מגנטי."

ניתוח מדוקדק של הפיסיקה הבסיסית ברמה התת-אטומית מגלה שתנע זוויתי אינו נשמר במובן הקלאסי. עם זאת, משהו שנקרא "תנופה זוויתית קנונית" נשמר למעשה. התנע הזוויתי הקנוני הוא סכום התנע הזוויתי הרגיל ההתחלתי בתוספת כמות נוספת התלויה במטען של חלקיק ובשדה המגנטי.

התנע הזוויתי הקנוני מסובך שלא לצורך מכיוון שהתנע הזוויתי הרגיל והקנוני זהים לחלקיקים ניטרליים. עם זאת, מכיוון שהכמות המגנטית הנוספת כה גדולה עבור חלקיקים טעונים כמו קטיונים ואלקטרונים, התנע הזוויתי הקנוני שונה באופן משמעותי מהתנע הזוויתי הרגיל.

התנועה פנימה של יונים ותנועה החוצה של אלקטרונים, הנגרמות מהתנגשויות, מגדילות את התנע הזוויתי הקנוני, שכן אלקטרונים הם שליליים וקטיונים חיוביים. התנגשויות בין החלקיקים הנייטרליים לטעונים גורמות לחלקיקים הנייטרליים לאבד תנע זוויתי ולנוע פנימה, מה שמבטל את העלייה במהירות הזוויתית הקנונית של החלקיקים הטעונים.

בלאן אמר, "זו הבחנה קטנה, אבל היא עושה הבדל עצום בקנה מידה של מערכת השמש. חשבונאות עדינה זו עומדת בחוק שימור התנע הזוויתי הקנוני עבור סכום כל החלקיקים בדיסק כולו; רק אחד למיליארד חלקיקים צריך להיטען כדי להסביר את האובדן הנצפה של תנע זוויתי מחלקיקים ניטרליים."

"יתר על כן, התנועה פנימה של הקטיונים והתנועה החוצה של האלקטרונים גורמת לדיסק להפוך למשהו כמו סוללה ענקית עם מסוף חיובי ליד מרכז הדיסק ומסוף שלילי בקצה הדיסק. סוללה זו תוביל זרמים חשמליים הזורמים מהדיסק הן מעל ומתחת למישור הדיסק. זרמים אלה יזינו סילונים אסטרופיזיקליים מתוך הדיסק בשני הכיוונים לאורך ציר הדיסק. למעשה, אסטרונומים צפו בסילונים במשך יותר ממאה שנה וידוע שהם קשורים לדיסקות צבירה, אם כי הכוח מאחוריהם הוא תעלומה".

הפניה ליומן:

    1. מאמרם של בלאן ויאנג נקרא "התנגשויות חלקיקים נייטרליים כמנגנון להעברת תנע זוויתי של דיסק צבירה" ופורסם ב- Astrophysical Journal ב-17 במאי. DOI: 10.3847/1538-4357/ac62d5

    הודעות קשורות

    השאר תגובה

    שְׁגִיאָה: