Почему внутренняя часть Солнечной системы не вращается быстрее?

Почему внутренняя часть Солнечной системы не вращается быстрее?

Вещество в аккреционном диске должно терять угловой момент, поскольку оно движется радиально внутрь, но как это работает, долгое время оставалось загадкой. Газ внутри дисков медленно движется по спирали к звезде.

Эта внутренняя спираль заставляет радиально внутреннюю часть диска вращаться быстрее в соответствии с законом сохранения углового момента. Закон сохранения углового момента гласит, что угловой момент системы остается постоянным. Угловой момент пропорционален скорости, умноженной на радиус. Следовательно, увеличение скорости вращения - единственный способ сохранить угловой момент, если радиус фигуриста уменьшается из-за тяги его рук.

Астрономические наблюдения показывают, что внутренняя часть аккреционного диска вращается быстрее. Интересно, однако, что он не вращается так быстро, как предсказывает закон сохранения углового момента. На протяжении многих лет ученые исследовали несколько возможных объяснений того, почему угловой момент аккреционного диска не сохраняется.

Некоторые предполагают, что внутренняя область аккреционного диска будет сжиматься из-за трения между внутренней и внешней вращающимися частями. Расчеты, однако, показывают, что внутренний конфликт аккреционных дисков пренебрежимо мал. Согласно господствующей в настоящее время гипотезе, магнитные поля вызывают явление «магнито-вращательной неустойчивости», что приводит к возникновению магнитной и газовой турбулентности, таким образом замедляя вращение газа по спирали внутрь.

Пол Беллан, профессор прикладной физики, сказал: «Это беспокоило меня. Люди всегда хотят обвинить в беспорядках явления, которых они не понимают. Сейчас существует большая кустарная промышленность, утверждающая, что турбулентность ответственна за устранение углового момента в аккреционных дисках».

Почти 15 лет назад Беллан начал исследовать этот вопрос, анализируя траектории отдельных атомов, электронов и ионов в газе, из которого состоит аккреционный диск. Он хотел определить, как ведут себя отдельные частицы в газе после того, как они сталкиваются друг с другом, и их движение между столкновениями, чтобы увидеть, можно ли объяснить потерю углового момента без привлечения турбулентности. лет в серии статей – фундаментальное поведение составных частей аккреционных дисков – на заряженные частицы (т.е. электроны и ионы) воздействуют как гравитационные, так и магнитные поля. Напротив, на нейтральные атомы действует только гравитация. Эта разница была жизненно важна.

Аспирант Калифорнийского технологического института Ян Чжан сказал: «Я обратился к Полу после разговора, мы обсудили и, наконец, решили, что симуляции можно распространить на частицы, сталкивающиеся с нейтральными частицами как в магнитном, так и в гравитационном полях».

В конечном итоге Беллан и Чжан создали компьютерную модель вращающегося сверхтонкого виртуального аккреционного диска. Смоделированный диск содержал около 40.000 1.000 нейтральных частиц и около XNUMX заряженных частиц, которые могли столкнуться друг с другом, а также в модели учитывались эффекты гравитации и магнитного поля.

Беллан сказал, «У этой модели было достаточно деталей, чтобы отразить все основные особенности, потому что она была достаточно большой, чтобы вести себя как триллионы при столкновении с нейтральными частицами, электронами и ионами, вращающимися вокруг звезды в магнитном поле».

Тщательный анализ лежащей в основе физики на субатомном уровне показывает, что угловой момент не сохраняется в классическом смысле. Однако то, что называется «каноническим угловым моментом», на самом деле сохраняется. Канонический угловой момент представляет собой сумму начального обычного углового момента плюс дополнительная величина, зависящая от заряда частицы и магнитного поля.

Канонический угловой момент излишне сложен, потому что обычный и канонический угловой момент идентичны для нейтральных частиц. Однако из-за того, что добавленная магнитная величина для заряженных частиц, таких как катионы и электроны, очень велика, канонический угловой момент значительно отличается от обычного углового момента.

Движение ионов внутрь и движение электронов наружу, вызванные столкновениями, увеличивают канонический угловой момент, поскольку электроны отрицательны, а катионы положительны. Столкновения между нейтральными и заряженными частицами заставляют нейтральные частицы терять угловой момент и двигаться внутрь, что компенсирует увеличение канонической угловой скорости заряженных частиц.

Беллан сказал, «Это небольшая разница, но она имеет огромное значение в масштабах всей Солнечной системы. Этот тонкий учет удовлетворяет каноническому закону сохранения углового момента для суммы всех частиц на всем диске; только одна частица из миллиарда должна быть заряжена, чтобы объяснить наблюдаемую потерю углового момента нейтральными частицами».

«Более того, движение катионов внутрь и движение электронов наружу приводит к тому, что диск становится чем-то вроде гигантской батареи с положительным полюсом в центре диска и отрицательным полюсом на краю диска. Эта батарея будет проводить электрические токи, вытекающие из диска как выше, так и ниже плоскости диска. Эти токи будут питать астрофизические джеты из диска в обоих направлениях вдоль оси диска. На самом деле астрономы наблюдали джеты более века, и известно, что они связаны с аккреционными дисками, хотя сила, стоящая за ними, остается загадкой».

Ссылка на журнал:

    1. Статья Беллана и Янга под названием «Столкновения нейтральных заряженных частиц как механизм переноса углового момента аккреционного диска» была опубликована в Astrophysical Journal 17 мая. DOI: 10.3847/1538-4357/ac62d5

    Похожие сообщения

    Оставить комментарий

    ошибка: