새로운 연구는 원자와 아 원자 물체의 양자 역학적 거동을 기술하는 슈뢰딩거 방정식으로 우주에서 대규모 물질 디스크의 뒤틀림과 관련이있다.
(이미지 : © James Tuttle Keane / 캘리포니아 공과 대학)
별이나 파편의 거대한 원반은 물리학 자들이 양자 역학 시스템을 모델링하는 데 사용하는 슈뢰딩거 방정식에 따라 변화하는 아 원자 입자와 동일한 규칙에 따라 작동 할 수 있습니다.
이 연구를 통해 우주 구조를 관찰하면 은하가 어떻게 진화하는지에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수있을뿐만 아니라 초기 태양계의 역학과 먼 행성을 돌고있는 고리의 작용에 대한 단서를 발견 할 수 있다고 새로운 연구 보고서가 발표했다.
새로운 연구의 저자 인 캘리포니아 공과 대학 연구원 Konstantin Batygin은 이러한 천체 물리학 디스크를 연구 할 때 그 특별한 방정식을 찾지 못할 것으로 기대했다. Batygin은 Space.com에 "당시 바닥이 완전히 바닥이났다"고 말했다. "정규 파 방정식이 나타날 것으로 기대하고있었습니다. 줄의 파동과 같은 것입니다. 대신에,이 방정식을 얻습니다. 이것은 실제로 양자 역학의 초석입니다." [플래닛 구축 '비행 접시'디스크는 놀랍도록 시원합니다 (비디오)]
물리학 자들은 슈뢰딩거 방정식 (Schrodinger equation)을 사용하여 파도와 원자 단위로 원자와 아 원자 규모로 시스템의 상호 작용을 해석 할 수있다. 이는 때때로 시스템의 직관적이지 않은 행동을 설명하는 양자 역학의 핵심 개념이다. 천체 물리학 디스크의 뒤틀림도 입자처럼 작용할 수 있습니다.
"돌이켜 보면, 지금 문제를 볼 때, 그것이 어떻게 될지 추측하지 못했던 것에 놀랐습니다."공동으로 가장 잘 알려진 사람인 Batygin은 말했다. Caltech 연구원 인 Mike Brown과 함께 2016 년 연구를 작성하여 외부 태양계의 어두운 깊이에서 발견되지 않은 "Planet Nine"에 대한 증거를 발견했습니다.
과거로부터의 폭발
Batygin은 수업을 가르 칠 때 연결을 발견했습니다. 그는 공간 구조의 필수 요소 인 넓은 디스크를 통해 어떻게 파동이 이동하는지 설명하려고 노력했다. 예를 들어, 이러한 디스크는 은하 중심의 초대형 블랙홀 주위에 별들로 만들어졌으며, 신생 별 시스템의 먼지와 잔해로 만들어졌다. 디스크는 현재 모델링이 모든 시간 척도에서 처리 할 수없는 복잡한 방식으로 구부러지고 뒤 틀립니다. 과학자들은 몇 번의 궤도에서 일어나는 일뿐 만 아니라 전체 수명 동안 분산되는 방법과 수십만 년 동안 어떻게 그리고 왜 변화 할 것인지와 같이 매우 짧은 시간 동안의 행동을 계산할 수 있습니다.
Batygin은 "일이 일어날 수도 있고, 왜 그런지 잘 모릅니다. 복잡한 시스템이기 때문에 물건이 전개되고 역동적 인 진화가 전개되는 것을 볼 수 있습니다"라고 Batygin은 말했습니다. "이처럼 엄청나게 복잡한 물리적 직관이 없다면 시뮬레이션에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 없습니다."
디스크 개발에 따라 Batygin은 1770 년대부터 트릭을 빌렸다. 수학자 Joseph-Louis Lagrange와 Pierre-Simon Laplace는 태양계를 행성 궤도를 따라 일련의 거대한 고리로 모델링 한 방식을 계산했다. 이 모델은 태양 주위의 작은 회로의 짧은 시간 단위에서는 도움이되지 않았지만 시간에 따른 궤도와의 상호 작용을 정확하게 묘사 할 수있었습니다.
Batygin은 개별 행성의 궤도를 모델링하는 대신 일련의 더 얇고 얇은 고리를 사용하여 양파 층과 같이 천체 물리학 디스크의 다른 조각을 나타냅니다. 각각은 그 지역 내에서 궤도의 질량에 묶여 있습니다. 서로 디스크가 휘어지고 어떻게 변화하는지 모델링 할 수 있습니다.
그리고 더 많은 고리를 추가 할 때 손이나 컴퓨터로 계산하기에 시스템이 너무 복잡해지면 수학적 바로 가기를 사용하여 무한한 얇은 고리의 수를 설명하는 것으로 변환했습니다.
Batygin은“이것은 물리학 좌우에 사용되는 널리 알려진 수학적 결과 일 뿐이다. 그러나 그럼에도 불구하고 아무도 천체 물리학 디스크를 그런 식으로 모델링하기 위해 도약 한 적이 없었습니다.
"정말 주목할만한 점은 그 어느 누구도 [반지]를 연속체로 흐리게 한 적이 없다는 것입니다." "돌이켜 보면 너무 분명해 보이며, 왜 더 빨리 생각하지 않았는지 모르겠습니다."
Batygin은 이러한 계산을했을 때 신흥 방정식이 놀랍게도 친숙하다는 것을 알았습니다.
"물론 양자와 관련이있다. 양자 역학에서는 입자를 파동으로 취급한다"고 그는 말했다. "돌이켜 보면, 슈뢰딩거 방정식과 같은 것을 얻어야하는 것은 거의 직관적입니다.하지만 당시에는 정말 놀랐습니다." 예를 들어, 파도에 대한 설명과 빛이 특정 비선형 매체를 통과하는 방식에 대한 설명에서이 방정식이 예기치 않게 나타났습니다.
"내 연구가 보여주는 것은 천체 물리학 디스크의 구부러지고 뒤틀리는 방식이 본질적으로 양자 프레임 워크에서 이해할 수있는 고전적인 맥락의 그룹에 합류한다는 것"이라고 Batygin은 말했다.
새로운 결과는 두 가지 상황 사이에 흥미로운 비유를 불러 일으킨다. 내부와 외부 가장자리에서 튀어 나오는 천체 물리 디스크를 통해 파동이 이동하는 방식은 단일 양자 입자가 두 벽 사이에서 앞뒤로 튀는 것과 같다고 그는 말했다.
이 동등성을 발견하면 흥미로운 결과를 얻을 수 있습니다. Batygin은 이미이 양자 상황을 광범위하게 연구하고 연구 한 연구자들이 수행 한 일부 작업을 차용 한 다음이 새로운 맥락에서 방정식을 해석하여 디스크가 외부 풀에 어떻게 반응하는지 이해했습니다. 섭동.
"물리학 자들은 슈뢰딩거 방정식에 대한 많은 경험을 가지고있다. 현재 100 세가되었다"고 예일대 학교의 천체 물리학 자 그렉 로플 린 (Greg Laughlin)은 Space.com에 말했다. "그리고 그것의 파급 효과를 이해하기 위해 많은 매우 깊은 생각이 들어 왔습니다. 그리고 이제 전체 건물이 디스크의 진화에 적용될 수 있습니다."
"나와 같은 누군가 (아직 불완전하지만 원 반성 디스크가하는 일에 대해 더 나은 감각을 가지고 있음)는 다른 방법으로 나아가서 디스크 비유를 사용하여 양자 시스템에 대한 심층적 인 통찰력을 얻을 수있는 기회를 제공합니다." 추가되었습니다. "나는 그것이 많은 관심과 관심을 불러 일으킬 것이라고 생각합니다. 아마도 욕설 일 것입니다. 그리고 궁극적으로 저는 그것이 정말로 흥미로운 개발이 될 것이라고 생각합니다."
이해의 틀
Batygin은 천체 물리학 디스크의 여러 가지 측면을 이해하기 위해 방정식을 적용하기를 기대합니다.
"내가이 논문에서 제시 한 것은 프레임 워크이다"고 Batygin은 말했다. "저는 디스크 강성의 문제인 하나의 특정 문제를 공격했습니다. 즉, 외부 교란 상태에서 디스크가 중력 적으로 견고하게 유지 될 수있는 정도입니다. 현재 살펴보고있는 다양한 추가 응용 프로그램이 있습니다."
한 예는 결국 우리 태양계를 형성 한 잔해 디스크의 진화라고 Batygin은 말했다. 다른 하나는 외계 행성 주위의 고리의 역학입니다. 그리고 세 번째는 은하수 중심에있는 블랙홀을 둘러싸고있는 별의 원반입니다.
Laughlin은이 연구는 신생아 스타 시스템에 대한 연구자들의 이해를 향상시키는 데 특히 도움이되어야한다고 지적했다. 왜냐하면 그들은 멀리서 관찰하기가 더 어려워 연구원들이 현재 처음부터 끝까지 개발을 시뮬레이션 할 수 없기 때문이다.
"Konstantin이 만든 수학적 프레임 워크는 행성 형성 디스크처럼 수십만 개의 궤도에있는 물체가 어떻게 동작하는지 이해하는 데 실제로 도움이 될 수있는 좋은 예입니다."
이 연구에 참여하지 않은 미시건 대학교의 천체 물리학자인 Fred Adams에 따르면,이 새로운 연구는 대규모 중력 효과가 상쇄되는 시스템에 가장 유용하다. 매우 뚜렷한 나선형 암을 가진 은하와 같이보다 복잡한 중력 영향을 갖는 시스템의 경우 다른 모델링 전략이 필요합니다. 그러나 이런 종류의 문제에 대해서는 천체 물리 디스크의 근사 파에 대한 흥미로운 변형이라고 그는 말했다.
Adams는 "주름 형 디스크를 포함한 모든 분야의 연구는 항상 새로운 도구의 개발과 사용으로 혜택을 볼 수있다"고 말했다. "이 백서는 새로운 분석 도구의 개발 또는 기존 도구에 대한 새로운 변화를 보여줍니다. 어쨌든 큰 퍼즐의 또 다른 부분입니다."
이 프레임 워크를 통해 연구원들은 천문학 자들이 밤하늘에서 새로운 방식으로 보는 구조를 이해할 수 있습니다.이 디스크는 인간이 관찰 할 수있는 것보다 훨씬 더 긴 시간 단위로 변화하는 반면, 시스템이 어떻게 우리가 보는 시점에 도달했는지 파악하기 위해 방정식을 적용 할 수 있습니다 Batygin은 현재와 미래의 변화에 대해 설명했다. 그리고 그것은 모두 믿을 수 없을 정도로 빠르고, 맹렬한 상호 작용을 묘사하는 수학을 기반으로합니다.
"아 원자 세계의 행동을 지배하는 수학과 훨씬 더 긴 시간 단위로 전개되는이 천체의 행동을 지배하는 수학과 이러한 천체의 장기 진화에 대한 흥미로운 호혜가있다"고 덧붙였다. "그것이 놀랍고 흥미로운 결과라고 생각합니다."
새로운 연구는 오늘 왕립 천문 학회 월간 고지에 실렸다 (3 월 5 일).
