การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุจำนวนเล็กน้อยอาจช่วยไขปริศนาอันยาวนานเกี่ยวกับจานก๊าซบางๆ ที่หมุนรอบดาวอายุน้อย ตามการศึกษาใหม่จาก Caltech
คุณลักษณะเหล่านี้เรียกว่า ดิสก์สะสมมวลรวม ซึ่งมีอายุหลายสิบล้านปีและเป็นช่วงเริ่มต้นของวิวัฒนาการระบบสุริยะ พวกมันมีมวลเพียงเล็กน้อยของดาวฤกษ์ที่พวกมันหมุนวน ลองนึกภาพวงแหวนคล้ายดาวเสาร์ที่ใหญ่เท่ากับระบบสุริยะ พวกมันถูกเรียกว่าจานสะสมมวลเพราะก๊าซในจานเหล่านี้หมุนวนเข้าหาดาวฤกษ์อย่างช้าๆ
นักวิทยาศาสตร์ตระหนักมานานแล้วว่าเมื่อเกิดการหมุนวนภายในนี้ มันควรจะทำให้ส่วนในแนวรัศมีของดิสก์หมุนเร็วขึ้น ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม เพื่อให้เข้าใจถึงการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ให้นึกถึงนักสเก็ตลีลาที่กำลังหมุน: เมื่อกางแขนออก พวกมันจะหมุนช้าๆ แต่เมื่อดึงแขนเข้าไป พวกมันก็จะหมุนเร็วขึ้น
โมเมนตัมเชิงมุมเป็นสัดส่วนกับความเร็วคูณรัศมี และกฎของการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมระบุว่าโมเมนตัมเชิงมุมในระบบคงที่ ดังนั้น ถ้ารัศมีของนักเล่นสเก็ต ลดลง เพราะพวกเขาดึงแขนเข้าไป วิธีเดียวที่จะรักษาโมเมนตัมเชิงมุมให้คงที่คือการ เพิ่ม ความเร็วการหมุน
การเคลื่อนที่เป็นเกลียวเข้าด้านในของแผ่นเพิ่มกำลังนั้นคล้ายกับนักเล่นสเก็ตดึงแขนเข้ามา—และด้วยเหตุนี้ ส่วนในของจานเพิ่มกำลังจึงควรหมุนเร็วขึ้น อันที่จริง การสังเกตทางดาราศาสตร์แสดงให้เห็นว่าส่วนในของจานเพิ่มกำลังหมุนเร็วขึ้น น่าแปลกที่มันไม่หมุนเร็วเท่าที่ทำนายโดยกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม
ตลอดหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ตรวจสอบคำอธิบายที่เป็นไปได้มากมายว่าทำไมโมเมนตัมเชิงมุมของดิสก์เพิ่มกำลังจึงไม่อนุรักษ์ไว้ บางคนคิดว่าการเสียดสีระหว่างส่วนที่หมุนด้านในและด้านนอกของจานเพิ่มกำลังอาจทำให้บริเวณด้านในช้าลง อย่างไรก็ตาม การคำนวณแสดงให้เห็นว่าดิสก์เสริมกำลังมีแรงเสียดทานภายในเพียงเล็กน้อย ทฤษฎีกระแสชั้นนำคือสนามแม่เหล็กสร้างสิ่งที่เรียกว่า “ความไม่เสถียรของสนามแม่เหล็ก” ซึ่งก่อให้เกิดก๊าซและความปั่นป่วนทางแม่เหล็ก ซึ่งก่อให้เกิดแรงเสียดทานอย่างมีประสิทธิภาพซึ่งจะชะลอความเร็วในการหมุนของก๊าซที่หมุนวนเข้าด้านใน
“นั่นทำให้ฉันกังวล” พอล เบลแลน ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ประยุกต์กล่าว “ผู้คนมักต้องการตำหนิความวุ่นวายสำหรับปรากฏการณ์ที่พวกเขาไม่เข้าใจ ขณะนี้มีอุตสาหกรรมกระท่อมขนาดใหญ่กำลังโต้เถียงว่าความปั่นป่วนทำให้เกิดการขจัดโมเมนตัมเชิงมุมในดิสก์สะสม”
ทศวรรษครึ่งที่ผ่านมา Bellan เริ่มตรวจสอบคำถามโดยวิเคราะห์วิถีของอะตอม อิเล็กตรอน และไอออนแต่ละตัวในก๊าซที่ประกอบขึ้นเป็นดิสก์สะสมกำลัง เป้าหมายของเขาคือการกำหนดว่าอนุภาคแต่ละตัวในแก๊สมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อชนกัน รวมถึงการเคลื่อนที่ระหว่างการชน เพื่อดูว่าสามารถอธิบายการสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมโดยไม่ทำให้เกิดความปั่นป่วนได้หรือไม่
ตามที่เขาอธิบายตลอดหลายปีที่ผ่านมาในชุดเอกสารและการบรรยายที่เน้นไปที่ “หลักการแรก”—พฤติกรรมพื้นฐานของส่วนประกอบต่างๆ ของดิสก์สะสมมวล—อนุภาคที่มีประจุ (เช่น อิเล็กตรอนและไอออน) ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็ก ในขณะที่อะตอมเป็นกลางได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น เขาสงสัยว่าความแตกต่างนี้เป็นกุญแจสำคัญ
Yang Zhang นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Caltech เข้าร่วมการพูดคุยครั้งหนึ่งหลังจากเรียนหลักสูตรที่เขาได้เรียนรู้วิธีสร้างแบบจำลองโมเลกุลขณะที่ชนกันเพื่อสร้างการกระจายความเร็วแบบสุ่มในก๊าซธรรมดา เช่น อากาศที่เราหายใจ “ฉันติดต่อ Paul หลังจากการพูดคุย เราได้พูดคุยกัน และท้ายที่สุดก็ตัดสินใจว่าการจำลองอาจขยายไปถึงอนุภาคที่มีประจุซึ่งชนกับอนุภาคที่เป็นกลางในสนามแม่เหล็กและสนามโน้มถ่วง” Zhang กล่าว
ในที่สุด Bellan และ Zhang ได้สร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของดิสก์สะสมเสมือนที่บางเฉียบและหมุนได้ ดิสก์จำลองประกอบด้วยอนุภาคเป็นกลางประมาณ 40,000 อนุภาคและมีประจุประมาณ 1,000 อนุภาคที่สามารถชนกันได้ และแบบจำลองนี้ยังคำนึงถึงผลกระทบของแรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็กด้วย “แบบจำลองนี้มีรายละเอียดในปริมาณที่เหมาะสมในการจับภาพลักษณะสำคัญทั้งหมด” Bellan กล่าว “เพราะมันมีขนาดใหญ่พอที่จะทำตัวเหมือนอนุภาคเป็นกลาง อิเล็กตรอน และไอออนที่โคจรรอบดาวฤกษ์ในสนามแม่เหล็กเป็นล้านล้านล้านล้าน สนาม.”
การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นการชนกันระหว่างอะตอมที่เป็นกลางและอนุภาคที่มีประจุจำนวนน้อยกว่ามาก จะทำให้ไอออนที่มีประจุบวกหรือไอออนบวกหมุนวนเข้าด้านในเข้าหาศูนย์กลางของดิสก์ ในขณะที่อนุภาคที่มีประจุลบ (อิเล็กตรอน) หมุนวนออกไปทางขอบ ในขณะเดียวกันอนุภาคที่เป็นกลางจะสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมและเช่นเดียวกับไอออนที่มีประจุบวกจะหมุนวนเข้าหาศูนย์กลาง
การวิเคราะห์อย่างละเอียดของฟิสิกส์พื้นฐานที่ระดับต่ำกว่าอะตอม—โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคที่มีประจุและสนามแม่เหล็ก—แสดงให้เห็นว่าโมเมนตัมเชิงมุมไม่ได้ถูกอนุรักษ์ไว้ในความหมายแบบคลาสสิก แม้ว่าสิ่งที่เรียกว่า “โมเมนตัมเชิงมุมตามรูปแบบบัญญัติ” จะได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างแท้จริง
โมเมนตัมเชิงมุมที่ยอมรับได้คือผลรวมของโมเมนตัมเชิงมุมธรรมดาดั้งเดิมบวกกับปริมาณเพิ่มเติมที่ขึ้นอยู่กับประจุของอนุภาคและสนามแม่เหล็ก สำหรับอนุภาคที่เป็นกลาง ไม่มีความแตกต่างระหว่างโมเมนตัมเชิงมุมธรรมดากับโมเมนตัมเชิงมุมที่ยอมรับได้ ดังนั้นการกังวลเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุมตามรูปแบบบัญญัติจึงมีความซับซ้อนโดยไม่จำเป็น แต่สำหรับอนุภาคที่มีประจุ—ไพเพอร์และอิเล็กตรอน—โมเมนตัมเชิงมุมแบบบัญญัติจะแตกต่างจากโมเมนตัมเชิงมุมปกติอย่างมาก เนื่องจากปริมาณแม่เหล็กเพิ่มเติมนั้นมีขนาดใหญ่มาก
เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นค่าลบและไอออนบวกเป็นบวก การเคลื่อนที่เข้าด้านในของไอออนและการเคลื่อนที่ออกด้านนอกของอิเล็กตรอน ซึ่งเกิดจากการชนกัน จะเพิ่มโมเมนตัมเชิงมุมตามรูปแบบบัญญัติของทั้งคู่ อนุภาคเป็นกลางสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมอันเป็นผลมาจากการชนกับอนุภาคที่มีประจุและเคลื่อนเข้าด้านใน ซึ่งทำให้สมดุลกับการเพิ่มขึ้นของโมเมนตัมเชิงมุมตามรูปแบบบัญญัติของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า
Bellan ผู้ให้เหตุผลว่าการบัญชีที่ละเอียดอ่อนนี้เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมที่ยอมรับได้สำหรับผลรวมของอนุภาคทั้งหมดในดิสก์ทั้งหมด ต้องมีการชาร์จอนุภาคประมาณหนึ่งในพันล้านเพื่ออธิบายการสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคที่เป็นกลาง
นอกจากนี้ Bellan ยังกล่าวอีกว่า การเคลื่อนที่เข้าด้านในของไอออนบวกและการเคลื่อนที่ออกด้านนอกของอิเล็กตรอนส่งผลให้ดิสก์กลายเป็นแบตเตอรี่ขนาดมหึมาที่มีขั้วบวกใกล้กับศูนย์กลางของดิสก์และขั้วลบที่ขอบดิสก์ แบตเตอรี่ดังกล่าวจะขับกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากดิสก์ทั้งด้านบนและด้านล่างระนาบของดิสก์ กระแสน้ำเหล่านี้จะจ่ายพลังงานให้กับไอพ่นทางดาราศาสตร์ที่พุ่งออกมาจากดิสก์ทั้งสองทิศทางตามแนวแกนของดิสก์ อันที่จริง นักดาราศาสตร์ได้สังเกตเห็นเครื่องบินไอพ่นมานานกว่าศตวรรษแล้ว และเป็นที่ทราบกันดีว่ามีความเกี่ยวข้องกับจานสะสมมวล แม้ว่าแรงที่อยู่เบื้องหลังพวกมันจะเป็นปริศนามาช้านานแล้ว
บทความของ Bellan and Yang มีชื่อว่า ” Neutral-charged-particle Collisions as the Mechanism for Accretion Disk Angular Momentum Transport ” และได้รับการตีพิมพ์ใน Astrophysical Journal เมื่อวันที่ 17 พฤษภาคม เงินทุนสำหรับการวิจัยนี้มาจาก National Science Foundation
