Selon une nouvelle étude de Caltech, le mouvement d’un petit nombre de particules chargées pourrait résoudre un mystère de longue date concernant les disques de gaz minces tournant autour de jeunes étoiles.
Ces caractéristiques, appelées disques d’accrétion, durent des dizaines de millions d’années et constituent une phase précoce de l’évolution du système solaire. Ils contiennent une petite fraction de la masse de l’étoile autour de laquelle ils tourbillonnent ; imaginez un anneau semblable à Saturne aussi grand que le système solaire. Ils sont appelés disques d’accrétion parce que le gaz de ces disques tourne lentement vers l’intérieur en direction de l’étoile.
Les scientifiques ont réalisé il y a longtemps que lorsque cette spirale vers l’intérieur se produit, elle devrait faire tourner la partie radialement interne du disque plus rapidement, selon la loi de la conservation du moment cinétique. Pour comprendre la conservation du moment cinétique, pensez aux patineurs artistiques qui tournent : lorsque leurs bras sont tendus, ils tournent lentement, mais lorsqu’ils rentrent leurs bras, ils tournent plus vite.
Le moment cinétique est proportionnel à la vitesse multipliée par le rayon, et la loi de conservation du moment cinétique stipule que le moment cinétique dans un système reste constant. Ainsi, si le rayon du patineur diminue parce qu’il a rentré ses bras, la seule façon de maintenir le moment cinétique constant est d’augmenter la vitesse de rotation.
Résultats de la simulation. (a), (b) Les trajectoires des particules d’un système avec des ions et des électrons. (c), (d) Les trajectoires des particules d’un système de référence n’ayant que des neutres. (e), (f) Le profil de vitesse de dérive radiale neutre et la fraction de densité des ions et des électrons du système en (a), (b). Le crédit: Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac62d5
Le mouvement en spirale vers l’intérieur du disque d’accrétion s’apparente à un patineur qui rentre ses bras – et en tant que tel, la partie interne du disque d’accrétion devrait tourner plus rapidement. En effet, les observations astronomiques montrent que la partie interne d’un disque d’accrétion tourne plus vite. Curieusement, cependant, il ne tourne pas aussi vite que prévu par la loi de conservation du moment cinétique.
Au fil des ans, les chercheurs ont étudié de nombreuses explications possibles pour expliquer pourquoi le moment cinétique du disque d’accrétion n’est pas conservé. Certains pensaient que le frottement entre les parties rotatives intérieure et extérieure du disque d’accrétion pouvait ralentir la région intérieure. Cependant, les calculs montrent que les disques d’accrétion ont un frottement interne négligeable. La principale théorie actuelle est que les champs magnétiques créent ce qu’on appelle une « instabilité magnétorotationnelle » qui génère des turbulences gazeuses et magnétiques, formant ainsi une friction qui ralentit la vitesse de rotation du gaz en spirale vers l’intérieur.
« Cela m’inquiétait », confie Paul Bellan, professeur de physique appliquée. « Les gens veulent toujours blâmer la turbulence pour des phénomènes qu’ils ne comprennent pas. Il y a une grande industrie artisanale en ce moment qui soutient que la turbulence explique la suppression du moment cinétique dans les disques d’accrétion. »
Il y a une décennie et demie, Bellan a commencé à étudier la question en analysant les trajectoires d’atomes, d’électrons et d’ions individuels dans le gaz qui constitue un disque d’accrétion. Son objectif était de déterminer comment les particules individuelles dans le gaz se comportent lorsqu’elles entrent en collision, ainsi que comment elles se déplacent entre les collisions, pour voir si la perte de moment cinétique peut être expliquée sans invoquer la turbulence.
Comme il l’a expliqué au fil des ans dans une série d’articles et de conférences axés sur les « premiers principes » – le comportement fondamental des éléments constitutifs des disques d’accrétion – les particules chargées (c’est-à-dire les électrons et les ions) sont affectées à la fois par la gravité et les champs magnétiques. , tandis que les atomes neutres ne sont affectés que par la gravité. Cette différence, soupçonnait-il, était la clé.
Yang Zhang, étudiant diplômé de Caltech, a assisté à l’une de ces conférences après avoir suivi un cours dans lequel il a appris à créer des simulations de molécules lorsqu’elles entrent en collision les unes avec les autres pour produire la distribution aléatoire des vitesses dans les gaz ordinaires, tels que l’air que nous respirons. « J’ai approché Paul après la conférence, nous en avons discuté et avons finalement décidé que les simulations pourraient être étendues aux particules chargées entrant en collision avec des particules neutres dans les champs magnétiques et gravitationnels », a déclaré Zhang.
En fin de compte, Bellan et Zhang ont créé un modèle informatique d’un disque d’accrétion virtuel super fin en rotation. Le disque simulé contenait environ 40 000 particules neutres et environ 1 000 particules chargées qui pouvaient entrer en collision les unes avec les autres, et le modèle a également pris en compte les effets de la gravité et d’un champ magnétique. « Ce modèle avait juste la bonne quantité de détails pour capturer toutes les caractéristiques essentielles », dit Bellan, « parce qu’il était assez grand pour se comporter comme des milliards et des milliards de collisions de particules neutres, d’électrons et d’ions en orbite autour d’une étoile dans un champ magnétique. champ. »
La simulation informatique a montré que des collisions entre des atomes neutres et un nombre beaucoup plus petit de particules chargées entraîneraient des ions chargés positivement, ou des cations, en spirale vers l’intérieur vers le centre du disque, tandis que des particules chargées négativement (électrons) s’enroulent vers l’extérieur vers le bord. Les particules neutres, quant à elles, perdent leur moment cinétique et, comme les ions chargés positivement, tournent vers le centre.
Une analyse minutieuse de la physique sous-jacente au niveau subatomique – en particulier, l’interaction entre les particules chargées et les champs magnétiques – montre que le moment angulaire n’est pas conservé au sens classique, bien que quelque chose appelé «moment angulaire canonique» soit en effet conservé.
Le moment cinétique canonique est la somme du moment cinétique ordinaire d’origine plus une quantité supplémentaire qui dépend de la charge d’une particule et du champ magnétique. Pour les particules neutres, il n’y a pas de différence entre le moment cinétique ordinaire et le moment cinétique canonique, donc s’inquiéter du moment cinétique canonique est inutilement compliqué. Mais pour les particules chargées – cations et électrons – le moment cinétique canonique est très différent du moment cinétique ordinaire car la quantité magnétique supplémentaire est très grande.
Parce que les électrons sont négatifs et que les cations sont positifs, le mouvement vers l’intérieur des ions et le mouvement vers l’extérieur des électrons, qui sont causés par des collisions, augmentent le moment cinétique canonique des deux. Les particules neutres perdent du moment cinétique à la suite de collisions avec les particules chargées et se déplacent vers l’intérieur, ce qui compense l’augmentation du moment cinétique canonique des particules chargées.
C’est une petite distinction, mais qui fait une énorme différence à l’échelle du système solaire, dit Bellan, qui soutient que cette comptabilité subtile satisfait la loi de conservation du moment cinétique canonique pour la somme de toutes les particules du disque entier ; seulement environ une particule sur un milliard doit être chargée pour expliquer la perte observée de moment cinétique des particules neutres.
De plus, dit Bellan, le mouvement vers l’intérieur des cations et le mouvement vers l’extérieur des électrons fait que le disque devient quelque chose comme une batterie gigantesque avec une borne positive près du centre du disque et une borne négative sur le bord du disque. Une telle batterie entraînerait des courants électriques qui s’éloignent du disque à la fois au-dessus et au-dessous du plan du disque. Ces courants alimenteraient des jets astrophysiques qui jaillissent du disque dans les deux sens le long de l’axe du disque. En effet, les jets ont été observés par les astronomes pendant plus d’un siècle et sont connus pour être associés à des disques d’accrétion, bien que la force derrière eux soit depuis longtemps un mystère.
L’article de Bellan et Yang a été publié dans Le Journal Astrophysique le 17 mai.
Yang Zhang et al, Collisions de particules chargées neutres en tant que mécanisme de transport du moment angulaire du disque d’accrétion, Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac62d5