為什麼太陽系內部的旋轉速度不快?科學家找到古老之謎的新答案

解開圍繞年輕恆星旋轉的稀薄氣體盤的一個長期之謎的關鍵是:極少數帶電粒子的運動。這是根據加州理工學院(Caltech)的一項新研究。這些旋轉的氣體盤–被稱為吸積盤,持續數千萬年,是太陽系進化的早期階段。

Solar-System-Orbit-Circles-Illustration.jpg

它們包含了它們所圍繞的恆星質量的一小部分,想象一下一個和太陽系一樣大的土星環。它們被稱為吸積盤,因為這些盤中的氣體向恆星緩慢地旋轉着。

天體物理學家很久以前就認識到,當這種向內的旋轉發生時,根據角動量守恆定律,它應該會導致吸積盤的徑向內部部分旋轉得越來越快。為了理解角動量守恆的基本思想,這裡可以想一想旋轉的花樣滑冰運動員:當他們的手臂伸出來時,他們旋轉得很慢,但當他們把手臂縮進去時,他們旋轉得越來越快。

角動量守恆定律指出,一個系統中的角動量保持不變,角動量跟速度乘以半徑成正比。因此,如果滑冰運動員的半徑減少–因為他們把手臂拉進去了,那麼保持角動量不變的唯一方法就是增加旋轉速度。

吸積盤向內的螺旋運動類似於滑冰運動員將手臂拉入,因此,吸積盤的內部應該旋轉得更快。天文觀測確實表明,吸積盤的內部確實旋轉得更快。然而奇怪的是,它並沒有像角動量守恆定律所預測的那樣快速旋轉。

科學家們多年來對吸積盤角動量不守恆的原因進行了許多可能的解釋。一些人假設,吸積盤內部和外部旋轉部分之間的摩擦可能會使內部區域減速。然計算表明,吸積盤的內部摩擦力非常小。根據主導電流假說,磁場會導致一種被稱為“磁動不穩定性”的現象,進而導致產生磁湍流和氣體–有效地形成摩擦從而使向內旋轉的氣體的旋轉速度變慢。

“這讓我擔心,”加州理工學院應用物理學教授Paul Bellan說道,“人們總是想把他們不理解的現象歸咎於湍流。現在有一個很大的山寨產業,認為湍流是擺脫吸積盤中角動量的原因。”

十幾年前,Bellan開始通過分析構成吸積盤的氣體中單個原子、電子和離子的軌跡來研究這個問題。他的目標是確定氣體中的單個粒子在相互碰撞時是如何表現的及它們在碰撞之間是如何運動的,從而來觀察角動量損失是否可以在不引用湍流的情況下得到解釋。

正如他多年來在一系列專註於“第一原理”的論文和講座中所解釋的那樣–吸積盤組成部分的基本行為–帶電粒子(即電子和離子)同時受到重力和磁場的影響,而中性原子只受到重力的影響。他懷疑,這種差異是關鍵。

Caltech的研究生Yang Zhang參加了其中的一個講座,在該課程中,他學會了如何在分子相互碰撞時創建模擬以產生普通氣體中速度的隨機分佈。“我在講座后找到了Paul,我們進行了討論並最終決定,模擬可能被擴展到帶電粒子跟中性粒子在磁場和引力場中的碰撞,”Zhang說道。

最終,Bellan和Zhang創建了一個旋轉的、超薄的、虛擬吸積盤的計算機模型。這個模擬盤包含了大約40,000個中性粒子和大約1,000個帶電粒子,它們可以相互碰撞,而且該模型還考慮了重力和磁場的影響。Bellan表示:“這個模型有恰到好處的細節來捕捉所有的基本特因為它足夠大,表現得就像數萬億的中性粒子、電子和離子在磁場中圍繞恆星的碰撞。”

計算機模擬顯示,中性原子和數量少得多的帶電粒子之間的碰撞將導致帶正電的離子或陽離子向盤的中心螺旋式上升,而帶負電的粒子(電子)則向外螺旋式上升到邊緣。與此同時,中性粒子失去角動量–像帶正電的離子一樣–向內旋向中心。

對亞原子層面的基礎物理學的仔細分析–特別是帶電粒子和磁場之間的相互作用–表明角動量在經典意義上是不守恆的,儘管某種被稱為“經典角動量”的東西確實守恆。

經典角動量是原來的普通角動量加上一個取決於粒子上的電荷和磁場的額外數量之和。對於中性粒子來說,普通角動量和典範角動量之間沒有區別,所以擔心典範角動量是不必要的複雜。但對於帶電粒子–陽離子和電子–典範角動量跟普通角動量非常不同,因為額外的磁量非常大。

由於電子是負的,陽離子是正的,離子的內向運動和電子的外向運動–由碰撞引起–增加了兩者的典範角動量。中性粒子由於跟帶電粒子的碰撞而失去角動量並向內運動,這平衡了帶電粒子典範角動量的增加。

Bellan指出,這是一個很小的區別,但在整個太陽系範圍內卻產生了巨大的差異,他認為這種微妙的核算滿足了整個圓盤中所有粒子之和的典範角動量守恆定律,只有約十億分之一的粒子需要帶電才能解釋觀察到的中性粒子角動量的損失。

此外,Bellan指出,陽離子的內向運動和電子的外向運動導致圓盤成為類似於一個巨大的電池,其正極靠近圓盤中心,負極位於圓盤邊緣。這樣的電池將驅動電流從圓盤的平面上方和下方流走。這些電流將為天體物理噴流提供動力,而這些噴流會從盤中沿盤軸的兩個方向射出。事實上,一個多世紀以來,天文學家一直在觀察噴流,而且已經知道跟吸積盤有關,但對於它們背後的力量長期以來卻一直是個謎。