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Il movimento di un piccolo numero di particelle cariche potrebbe risolvere un mistero di vecchia data sui sottili dischi di gas che ruotano attorno a giovani stelle, secondo un nuovo studio del Caltech.
Queste caratteristiche, chiamate dischi di accrescimento, durano decine di milioni di anni e sono una fase iniziale dell'evoluzione del sistema solare. Contengono una piccola frazione della massa della stella attorno alla quale ruotano; immagina un anello simile a Saturno grande quanto il sistema solare. Sono chiamati dischi di accrescimento perché il gas in questi dischi ruota lentamente verso l'interno verso la stella.
Gli scienziati si sono resi conto molto tempo fa che quando si verifica questa spirale verso l'interno, dovrebbe far ruotare più velocemente la parte radialmente interna del disco, secondo la legge della conservazione del momento angolare. Per comprendere la conservazione del momento angolare, pensa ai pattinatori rotanti:quando le loro braccia sono tese, ruotano lentamente, ma mentre tirano le braccia dentro, girano più velocemente.
Il momento angolare è proporzionale alla velocità moltiplicata per il raggio e la legge di conservazione del momento angolare afferma che il momento angolare in un sistema rimane costante. Quindi, se il raggio del pattinatore diminuisce perché ha tirato dentro le braccia, l'unico modo per mantenere costante il momento angolare è aumentare la velocità di rotazione.
Il movimento a spirale verso l'interno del disco di accrescimento è simile a quello di un pattinatore che attira le braccia e, in quanto tale, la parte interna del disco di accrescimento dovrebbe ruotare più velocemente. In effetti, le osservazioni astronomiche mostrano che la parte interna di un disco di accrescimento ruota più velocemente. Curiosamente, però, non ruota così velocemente come previsto dalla legge di conservazione del momento angolare.
Nel corso degli anni, i ricercatori hanno studiato molte possibili spiegazioni del motivo per cui il momento angolare del disco di accrescimento non viene conservato. Alcuni pensavano che l'attrito tra le parti rotanti interna ed esterna del disco di accrescimento potesse rallentare la regione interna. Tuttavia, i calcoli mostrano che i dischi di accrescimento hanno un attrito interno trascurabile. L'attuale teoria principale è che i campi magnetici creano quella che viene chiamata "instabilità magnetrotazionale" che genera gas e turbolenza magnetica, formando efficacemente un attrito che rallenta la velocità di rotazione del gas a spirale verso l'interno.
"Questo mi preoccupava", dice Paul Bellan, professore di fisica applicata. "Le persone vogliono sempre incolpare la turbolenza per fenomeni che non capiscono. C'è una grande industria artigianale in questo momento che sostiene che la turbolenza spiega l'eliminazione del momento angolare nei dischi di accrescimento".
Un decennio e mezzo fa, Bellan iniziò a indagare sulla questione analizzando le traiettorie di singoli atomi, elettroni e ioni nel gas che costituisce un disco di accrescimento. Il suo obiettivo era determinare come si comportano le singole particelle nel gas quando entrano in collisione tra loro, nonché come si muovono tra una collisione e l'altra, per vedere se la perdita di momento angolare potesse essere spiegata senza invocare la turbolenza.
Come ha spiegato nel corso degli anni in una serie di articoli e conferenze incentrati sui "principi primi" - il comportamento fondamentale delle parti costituenti dei dischi di accrescimento - le particelle cariche (cioè elettroni e ioni) sono influenzate sia dalla gravità che dai campi magnetici , mentre gli atomi neutri sono influenzati solo dalla gravità. Questa differenza, sospettava, era fondamentale.
Lo studente laureato al Caltech Yang Zhang ha partecipato a uno di quei discorsi dopo aver seguito un corso in cui ha imparato a creare simulazioni di molecole mentre si scontrano tra loro per produrre la distribuzione casuale delle velocità nei gas ordinari, come l'aria che respiriamo. "Mi sono avvicinato a Paul dopo il discorso, ne abbiamo discusso e alla fine abbiamo deciso che le simulazioni potrebbero essere estese a particelle cariche che entrano in collisione con particelle neutre nei campi magnetici e gravitazionali", dice Zhang.
Alla fine, Bellan e Zhang hanno creato un modello al computer di un disco di accrescimento virtuale rotante, super sottile. Il disco simulato conteneva circa 40.000 particelle neutre e circa 1.000 cariche che potevano entrare in collisione tra loro, e il modello ha anche preso in considerazione gli effetti sia della gravità che di un campo magnetico. "Questo modello aveva la giusta quantità di dettagli per catturare tutte le caratteristiche essenziali", dice Bellan, "perché era abbastanza grande da comportarsi proprio come trilioni e trilioni di particelle neutre, elettroni e ioni in collisione in orbita attorno a una stella in un campo magnetico campo."
La simulazione al computer ha mostrato che le collisioni tra atomi neutri e un numero molto minore di particelle cariche causerebbero ioni o cationi caricati positivamente a spirale verso l'interno verso il centro del disco, mentre le particelle cariche negativamente (elettroni) spiraleggiano verso l'esterno verso il bordo. Le particelle neutre, nel frattempo, perdono momento angolare e, come gli ioni caricati positivamente, si muovono a spirale verso l'interno verso il centro.
Un'attenta analisi della fisica sottostante a livello subatomico, in particolare l'interazione tra particelle cariche e campi magnetici, mostra che il momento angolare non viene conservato nel senso classico, sebbene sia effettivamente conservato qualcosa chiamato "momento angolare canonico".
Il momento angolare canonico è la somma del momento angolare ordinario originale più una quantità aggiuntiva che dipende dalla carica su una particella e dal campo magnetico. Per le particelle neutre, non c'è differenza tra momento angolare ordinario e momento angolare canonico, quindi preoccuparsi del momento angolare canonico è inutilmente complicato. Ma per le particelle cariche, cationi ed elettroni, il momento angolare canonico è molto diverso dal momento angolare ordinario perché la quantità magnetica aggiuntiva è molto grande.
Poiché gli elettroni sono negativi e i cationi sono positivi, il movimento verso l'interno degli ioni e il movimento verso l'esterno degli elettroni, che sono causati dalle collisioni, aumenta il momento angolare canonico di entrambi. Le particelle neutre perdono momento angolare a causa delle collisioni con le particelle cariche e si spostano verso l'interno, il che bilancia l'aumento del momento angolare canonico della particella carica.
È una piccola distinzione, ma fa un'enorme differenza su scala del sistema solare, dice Bellan, il quale sostiene che questa sottile contabilità soddisfa la legge di conservazione del momento angolare canonico per la somma di tutte le particelle nell'intero disco; solo una particella su un miliardo circa deve essere caricata per spiegare la perdita di momento angolare osservata delle particelle neutre.
Inoltre, dice Bellan, il movimento verso l'interno dei cationi e il movimento verso l'esterno degli elettroni fa sì che il disco diventi qualcosa di simile a una gigantesca batteria con un terminale positivo vicino al centro del disco e un terminale negativo sul bordo del disco. Una tale batteria guiderebbe le correnti elettriche che fluiscono lontano dal disco sia sopra che sotto il piano del disco. Queste correnti alimenterebbero getti astrofisici che fuoriescono dal disco in entrambe le direzioni lungo l'asse del disco. In effetti, i getti sono stati osservati dagli astronomi per oltre un secolo e sono noti per essere associati ai dischi di accrescimento, sebbene la forza dietro di loro sia stata a lungo un mistero.
L'articolo di Bellan e Yang è stato pubblicato su The Astrophysical Journal il 17 maggio. + Esplora ulteriormente
