Volgens een nieuwe studie van Caltech kan de beweging van een klein aantal geladen deeltjes een al lang bestaand mysterie oplossen over dunne gasschijven die rond jonge sterren draaien.

Deze kenmerken, accretieschijven genoemd, gaan tientallen miljoenen jaren mee en vormen een vroege fase van de evolutie van het zonnestelsel. Ze bevatten een klein deel van de massa van de ster waar ze omheen draaien; stel je een Saturnus-achtige ring voor zo groot als het zonnestelsel. Ze worden accretieschijven genoemd omdat het gas in deze schijven langzaam naar binnen in de richting van de ster spiraalt.

Wetenschappers realiseerden zich lang geleden dat wanneer deze binnenwaartse spiraal zich voordoet, het radiaal binnenste deel van de schijf sneller zou moeten draaien, volgens de wet van behoud van impulsmoment. Om het behoud van impulsmoment te begrijpen, denk aan draaiende kunstschaatsers:wanneer hun armen gestrekt zijn, draaien ze langzaam, maar als ze hun armen naar binnen trekken, draaien ze sneller.

Het impulsmoment is evenredig met de snelheid maal de straal, en de wet van behoud van impulsmoment stelt dat het impulsmoment in een systeem constant blijft. Dus als de straal van de schaatser kleiner wordt omdat hij zijn armen naar binnen heeft getrokken, dan is de enige manier om het impulsmoment constant te houden het verhogen van de spinsnelheid.

De binnenwaartse spiraalvormige beweging van de accretieschijf is vergelijkbaar met een schaatser die zijn armen naar binnen trekt - en als zodanig zou het binnenste deel van de accretieschijf sneller moeten draaien. Astronomische waarnemingen tonen inderdaad aan dat het binnenste deel van een accretieschijf sneller draait. Vreemd genoeg draait het echter niet zo snel als voorspeld door de wet van behoud van impulsmoment.

In de loop der jaren hebben onderzoekers veel mogelijke verklaringen onderzocht waarom het impulsmoment van de accretieschijf niet behouden blijft. Sommigen dachten dat wrijving tussen de binnenste en buitenste roterende delen van de accretieschijf het binnenste gebied zou kunnen vertragen. Uit berekeningen blijkt echter dat accretieschijven een verwaarloosbare interne wrijving hebben. De leidende huidige theorie is dat magnetische velden een zogenaamde "magnetorotationele instabiliteit" creëren die gas en magnetische turbulentie genereert - en effectief wrijving vormt die de rotatiesnelheid van inwaarts spiraalvormig gas vertraagt.

"Dat baart mij zorgen", zegt Paul Bellan, hoogleraar toegepaste natuurkunde. "Mensen willen turbulentie altijd de schuld geven van fenomenen die ze niet begrijpen. Er is momenteel een grote huisindustrie die beweert dat turbulentie de oorzaak is van het wegwerken van impulsmoment in accretieschijven."

Anderhalf decennium geleden begon Bellan de vraag te onderzoeken door de banen van individuele atomen, elektronen en ionen in het gas dat een accretieschijf vormt te analyseren. Zijn doel was om te bepalen hoe de afzonderlijke deeltjes in het gas zich gedragen wanneer ze met elkaar botsen, en hoe ze tussen botsingen door bewegen, om te zien of het verlies van impulsmoment kan worden verklaard zonder turbulentie op te roepen.

Zoals hij in de loop der jaren uitlegde in een reeks artikelen en lezingen die waren gericht op "eerste principes" - het fundamentele gedrag van de samenstellende delen van accretieschijven - worden geladen deeltjes (d.w.z. elektronen en ionen) beïnvloed door zowel zwaartekracht als magnetische velden , terwijl neutrale atomen alleen worden beïnvloed door de zwaartekracht. Dit verschil, vermoedde hij, was de sleutel.

Caltech-afgestudeerde student Yang Zhang woonde een van die lezingen bij nadat hij een cursus had gevolgd waarin hij leerde simulaties te maken van moleculen terwijl ze met elkaar botsen om de willekeurige verdeling van snelheden in gewone gassen, zoals de lucht die we inademen, te produceren. "Ik benaderde Paul na het gesprek, we bespraken het en besloten uiteindelijk dat de simulaties zouden kunnen worden uitgebreid tot geladen deeltjes die botsen met neutrale deeltjes in magnetische en zwaartekrachtvelden", zegt Zhang.

Uiteindelijk creëerden Bellan en Zhang een computermodel van een draaiende, superdunne, virtuele accretieschijf. De gesimuleerde schijf bevatte ongeveer 40.000 neutrale en ongeveer 1.000 geladen deeltjes die met elkaar konden botsen, en het model hield ook rekening met de effecten van zowel zwaartekracht als een magnetisch veld. "Dit model had precies de juiste hoeveelheid detail om alle essentiële kenmerken vast te leggen," zegt Bellan, "omdat het groot genoeg was om zich te gedragen als triljoenen op triljoenen botsende neutrale deeltjes, elektronen en ionen die rond een ster in een magnetische veld."

De computersimulatie toonde aan dat botsingen tussen neutrale atomen en een veel kleiner aantal geladen deeltjes ervoor zouden zorgen dat positief geladen ionen, of kationen, naar binnen in de richting van het midden van de schijf spiraliseren, terwijl negatief geladen deeltjes (elektronen) naar buiten naar de rand spiraliseren. Neutrale deeltjes verliezen ondertussen hun impulsmoment en draaien, net als de positief geladen ionen, naar binnen naar het centrum.

Een zorgvuldige analyse van de onderliggende fysica op subatomair niveau - in het bijzonder de interactie tussen geladen deeltjes en magnetische velden - laat zien dat impulsmoment niet behouden blijft in de klassieke zin, hoewel iets dat 'canoniek impulsmoment' wordt genoemd wel degelijk behouden blijft.

Canonisch impulsmoment is de som van het oorspronkelijke gewone impulsmoment plus een extra hoeveelheid die afhangt van de lading op een deeltje en het magnetische veld. Voor neutrale deeltjes is er geen verschil tussen gewoon impulsmoment en canoniek impulsmoment, dus zorgen maken over canoniek impulsmoment is onnodig ingewikkeld. Maar voor geladen deeltjes - kationen en elektronen - is het canonieke impulsmoment heel anders dan het gewone impulsmoment, omdat de extra magnetische hoeveelheid erg groot is.

Omdat elektronen negatief zijn en kationen positief, verhoogt de binnenwaartse beweging van ionen en buitenwaartse beweging van elektronen, die worden veroorzaakt door botsingen, het canonieke impulsmoment van beide. Neutrale deeltjes verliezen hun impulsmoment als gevolg van botsingen met de geladen deeltjes en bewegen naar binnen, wat de toename van het canonieke impulsmoment van geladen deeltjes compenseert.

Het is een klein verschil, maar maakt een enorm verschil op de schaal van het zonnestelsel, zegt Bellan, die stelt dat deze subtiele boekhouding voldoet aan de wet van behoud van het canonieke impulsmoment voor de som van alle deeltjes in de hele schijf; slechts ongeveer één op een miljard deeltjes hoeft te worden opgeladen om het waargenomen verlies aan impulsmoment van de neutrale deeltjes te verklaren.

Bovendien, zegt Bellan, resulteert de binnenwaartse beweging van kationen en buitenwaartse beweging van elektronen erin dat de schijf zoiets wordt als een gigantische batterij met een positieve pool nabij het schijfcentrum en een negatieve pool aan de schijfrand. Een dergelijke batterij zou elektrische stromen aandrijven die zowel boven als onder het vlak van de schijf wegvloeien van de schijf. Deze stromen zouden astrofysische jets aandrijven die vanuit de schijf in beide richtingen langs de schijfas schieten. Jets worden inderdaad al meer dan een eeuw door astronomen waargenomen en het is bekend dat ze in verband worden gebracht met accretieschijven, hoewel de kracht erachter lange tijd een mysterie is geweest.

Het artikel van Bellan en Yang is gepubliceerd in The Astrophysical Journal op 17 mei. + Verder verkennen

Nieuw experiment valideert algemeen gespeculeerd mechanisme achter de vorming van sterren