Warum dreht sich das Innere des Sonnensystems nicht schneller? Altes Rätsel hat mögliche neue Lösung

Laut einer neuen Studie von Caltech könnte die Bewegung einer winzigen Anzahl geladener Teilchen ein langjähriges Rätsel um dünne Gasscheiben lösen, die sich um junge Sterne drehen.

Diese als Akkretionsscheiben bezeichneten Merkmale überdauern mehrere zehn Millionen Jahre und sind eine frühe Phase der Evolution des Sonnensystems. Sie enthalten einen kleinen Bruchteil der Masse des Sterns, um den sie wirbeln; Stellen Sie sich einen saturnähnlichen Ring vor, der so groß ist wie das Sonnensystem. Sie werden Akkretionsscheiben genannt, weil sich das Gas in diesen Scheiben langsam nach innen in Richtung des Sterns bewegt.

Wissenschaftler haben schon vor langer Zeit erkannt, dass diese nach innen gerichtete Spirale dazu führen sollte, dass sich der radial innere Teil der Scheibe gemäß dem Drehimpulserhaltungssatz schneller dreht. Um die Erhaltung des Drehimpulses zu verstehen, denken Sie an sich drehende Eiskunstläufer: Wenn ihre Arme ausgestreckt sind, drehen sie sich langsam, aber wenn sie ihre Arme einziehen, drehen sie sich schneller.

Der Drehimpuls ist proportional zu Geschwindigkeit mal Radius, und das Gesetz der Drehimpulserhaltung besagt, dass der Drehimpuls in einem System konstant bleibt. Wenn also der Radius des Skaters abnimmt, weil er seine Arme eingezogen hat, dann besteht die einzige Möglichkeit, den Drehimpuls konstant zu halten, darin, die Spingeschwindigkeit zu erhöhen.

Die nach innen gerichtete Spiralbewegung der Akkretionsscheibe ähnelt einem Schlittschuhläufer, der seine Arme einzieht – und als solcher sollte sich der innere Teil der Akkretionsscheibe schneller drehen. Tatsächlich zeigen astronomische Beobachtungen, dass sich der innere Teil einer Akkretionsscheibe schneller dreht. Seltsamerweise dreht es sich jedoch nicht so schnell, wie es das Gesetz zur Erhaltung des Drehimpulses vorhersagt.

Im Laufe der Jahre haben Forscher viele mögliche Erklärungen dafür untersucht, warum der Drehimpuls der Akkretionsscheibe nicht erhalten bleibt. Eine gewisse Reibung zwischen den inneren und äußeren rotierenden Teilen der Akkretionsscheibe könnte den inneren Bereich verlangsamen. Berechnungen zeigen jedoch, dass Akkretionsscheiben eine vernachlässigbare innere Reibung aufweisen. Die führende aktuelle Theorie besagt, dass Magnetfelder eine sogenannte „Magnetorotationsinstabilität“ erzeugen, die Gas und magnetische Turbulenzen erzeugt – wodurch effektiv Reibung entsteht, die die Rotationsgeschwindigkeit des nach innen spiralförmigen Gases verlangsamt.

„Das hat mich beunruhigt“, sagt Paul Bellan, Professor für angewandte Physik. „Die Leute wollen Turbulenzen immer für Phänomene verantwortlich machen, die sie nicht verstehen. Es gibt derzeit eine große Heimindustrie, die argumentiert, dass Turbulenzen dafür verantwortlich sind, den Drehimpuls in Akkretionsscheiben loszuwerden.“

Vor anderthalb Jahrzehnten begann Bellan mit der Untersuchung dieser Frage, indem er die Bahnen einzelner Atome, Elektronen und Ionen in dem Gas analysierte, das eine Akkretionsscheibe bildet. Sein Ziel war es, zu bestimmen, wie sich die einzelnen Teilchen im Gas verhalten, wenn sie miteinander kollidieren, und wie sie sich zwischen Kollisionen bewegen, um zu sehen, ob der Drehimpulsverlust erklärt werden kann, ohne Turbulenzen hervorzurufen.

Wie er im Laufe der Jahre in einer Reihe von Artikeln und Vorträgen erklärte, die sich auf „Grundprinzipien“ – das grundlegende Verhalten der Bestandteile von Akkretionsscheiben – konzentrierten, werden geladene Teilchen (dh Elektronen und Ionen) sowohl von der Schwerkraft als auch von Magnetfeldern beeinflusst , während neutrale Atome nur von der Schwerkraft beeinflusst werden. Dieser Unterschied, so vermutete er, war der Schlüssel.

Caltech-Student Yang Zhang nahm an einem dieser Vorträge teil, nachdem er einen Kurs besucht hatte, in dem er lernte, wie man Simulationen von Molekülen erstellt, wenn sie miteinander kollidieren, um die zufällige Verteilung von Geschwindigkeiten in gewöhnlichen Gasen wie der Luft, die wir atmen, zu erzeugen. „Ich habe mich nach dem Vortrag an Paul gewandt, wir haben darüber gesprochen und schließlich entschieden, dass die Simulationen auf geladene Teilchen ausgedehnt werden könnten, die mit neutralen Teilchen in Magnet- und Gravitationsfeldern kollidieren“, sagt Zhang.

Letztendlich erstellten Bellan und Zhang ein Computermodell einer sich drehenden, superdünnen, virtuellen Akkretionsscheibe. Die simulierte Scheibe enthielt etwa 40.000 neutrale und etwa 1.000 geladene Teilchen, die miteinander kollidieren könnten, und das Modell berücksichtigte auch die Auswirkungen sowohl der Schwerkraft als auch eines Magnetfelds. „Dieses Modell hatte genau die richtige Menge an Details, um alle wesentlichen Merkmale zu erfassen“, sagt Bellan, „weil es groß genug war, um sich wie Billionen und Abermillionen kollidierender neutraler Teilchen, Elektronen und Ionen zu verhalten, die einen Stern in einem Magneten umkreisen aufstellen.“

Die Computersimulation zeigte, dass Kollisionen zwischen neutralen Atomen und einer viel kleineren Anzahl geladener Teilchen dazu führen würden, dass positiv geladene Ionen oder Kationen nach innen zum Zentrum der Scheibe spiralen, während negativ geladene Teilchen (Elektronen) nach außen zum Rand hin spiralförmig verlaufen. Neutrale Teilchen verlieren derweil an Drehimpuls und drehen sich, wie die positiv geladenen Ionen, spiralförmig nach innen zum Zentrum.

Eine sorgfältige Analyse der zugrunde liegenden Physik auf subatomarer Ebene – insbesondere der Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen und Magnetfeldern – zeigt, dass der Drehimpuls nicht im klassischen Sinne erhalten bleibt, obwohl etwas, das als „kanonischer Drehimpuls“ bezeichnet wird, tatsächlich erhalten bleibt.

Der kanonische Drehimpuls ist die Summe des ursprünglichen gewöhnlichen Drehimpulses plus einer zusätzlichen Größe, die von der Ladung eines Teilchens und dem Magnetfeld abhängt. Bei neutralen Teilchen gibt es keinen Unterschied zwischen gewöhnlichem Drehimpuls und kanonischem Drehimpuls, daher ist es unnötig kompliziert, sich Gedanken über den kanonischen Drehimpuls zu machen. Aber für geladene Teilchen – Kationen und Elektronen – unterscheidet sich der kanonische Drehimpuls stark vom gewöhnlichen Drehimpuls, weil die zusätzliche magnetische Größe sehr groß ist.

Da Elektronen negativ und Kationen positiv sind, erhöht die Einwärtsbewegung von Ionen und die Auswärtsbewegung von Elektronen, die durch Kollisionen verursacht werden, den kanonischen Drehimpuls von beiden. Neutrale Teilchen verlieren durch Kollisionen mit den geladenen Teilchen an Drehimpuls und bewegen sich nach innen, was die Zunahme des kanonischen Drehimpulses der geladenen Teilchen ausgleicht.

Es ist ein kleiner Unterschied, macht aber im gesamten Sonnensystem einen großen Unterschied, sagt Bellan, der argumentiert, dass diese subtile Berechnung das Erhaltungsgesetz des kanonischen Drehimpulses für die Summe aller Teilchen in der gesamten Scheibe erfüllt; nur etwa eines von einer Milliarde Teilchen muss geladen sein, um den beobachteten Drehimpulsverlust der neutralen Teilchen zu erklären.

Darüber hinaus, sagt Bellan, führt die Einwärtsbewegung von Kationen und die Auswärtsbewegung von Elektronen dazu, dass die Scheibe so etwas wie eine gigantische Batterie mit einem positiven Anschluss nahe der Scheibenmitte und einem negativen Anschluss am Scheibenrand wird. Eine solche Batterie würde elektrische Ströme treiben, die sowohl oberhalb als auch unterhalb der Ebene der Scheibe von der Scheibe weg fließen. Diese Strömungen würden astrophysikalische Jets antreiben, die in beide Richtungen entlang der Scheibenachse aus der Scheibe herausschießen. Tatsächlich werden Jets seit über einem Jahrhundert von Astronomen beobachtet und es ist bekannt, dass sie mit Akkretionsscheiben in Verbindung gebracht werden, obwohl die Kraft hinter ihnen lange Zeit ein Rätsel war.

Die Arbeit von Bellan und Yang wurde in veröffentlicht Das Astrophysikalische Journal am 17. Mai.