Novas pesquisas vinculam o empenamento de discos de material em larga escala no universo com a equação de Schrodinger, que descreve o comportamento mecânico quântico de objetos atômicos e subatômicos.
(Imagem: © James Tuttle Keane / Instituto de Tecnologia da Califórnia)
Discos enormes de estrelas ou detritos podem operar sob as mesmas regras das partículas subatômicas, mudando com base na equação de Schrodinger, usada pelos físicos para modelar sistemas mecânicos quânticos.
Visualizar estruturas espaciais com essa equação pode fornecer novas idéias sobre como as galáxias evoluem, bem como revelar pistas sobre a mecânica do sistema solar inicial e a ação dos anéis que circundam planetas distantes, relata um novo estudo.
O pesquisador do Instituto de Tecnologia da Califórnia Konstantin Batygin, autor do novo estudo, não esperava encontrar essa equação específica ao estudar esses discos astrofísicos. "Na época, eu estava completamente chocado", disse Batygin ao Space.com. "Eu esperava que a equação de onda regular aparecesse, algo como a onda de uma corda ou algo assim. E, em vez disso, recebo essa equação, que é realmente a pedra angular da mecânica quântica". [O disco do disco voador da construção do planeta é surpreendentemente legal (vídeo)]
Usando a equação de Schrodinger, os físicos podem interpretar as interações dos sistemas nas escalas atômicas e subatômicas em termos de ondas e partículas - um conceito-chave na mecânica quântica que descreve o comportamento às vezes não intuitivo desses sistemas. Acontece que o empenamento dos discos astrofísicos também pode atuar como partículas.
"Em retrospecto, quando olho para o problema agora, estou surpreso com o fato de não ter imaginado que isso seria o que seria", disse Batygin, que talvez seja mais conhecido (por leigos, pelo menos) por autor de um estudo de 2016 com Mike Brown, pesquisador da Caltech, que encontrou evidências de um possível "Planeta Nove" ainda não descoberto nas profundezas escuras do nosso sistema solar externo.
Explosão do passado
Batygin encontrou a conexão ao dar uma aula. Ele estava tentando explicar como as ondas viajam através dos discos amplos que são um elemento básico da arquitetura espacial - por exemplo, esses discos são construídos de estrelas em torno de buracos negros supermassivos no centro de uma galáxia e feitos de poeira e detritos em um sistema estelar recém-nascido. Os discos dobram e distorcem de uma maneira complexa que a modelagem atual não pode suportar em todas as escalas de tempo. Os cientistas podem calcular suas ações em períodos de tempo muito curtos, como o que acontece em algumas órbitas, bem como como eles se dispersarão por toda a vida, mas não como e por que mudarão na ordem de centenas de milhares de anos.
"As coisas podem acontecer, e você realmente não sabe o porquê - é um sistema complicado, então você apenas vê as coisas se desenrolarem, vê algum tipo de evolução dinâmica se desenrolar", disse Batygin. "A menos que você tenha essa intuição física monstruosamente complicada, você simplesmente não entende o que está acontecendo em sua simulação."
Para acompanhar o desenvolvimento de um disco, Batygin tomou emprestado um truque da década de 1770: calculando a maneira como os matemáticos Joseph-Louis Lagrange e Pierre-Simon Laplace modelaram o sistema solar como uma série de ciclos gigantescos seguindo as órbitas dos planetas. Embora o modelo não tenha sido útil em escalas de tempo curtas de alguns circuitos ao redor do sol, ele poderia representar com precisão as interações das órbitas entre si ao longo do tempo.
Em vez de modelar as órbitas de planetas individuais, Batygin usou uma série de anéis cada vez mais finos para representar diferentes partes do disco astrofísico, como camadas de cebola, cada uma ligada à massa dos corpos orbitais dentro dessa região. um com o outro poderia modelar como o disco distorceria e mudaria.
E quando o sistema ficou muito complicado para calcular manualmente ou no computador, à medida que adicionava mais anéis, ele usou um atalho matemático para converter a descrição de um número infinito de anéis infinitamente finos.
"Este é apenas um resultado matemático amplamente conhecido que é usado na física esquerda e direita", disse Batygin. Mas, de alguma forma, ninguém deu o salto para modelar um disco astrofísico dessa maneira.
"O que é verdadeiramente notável para mim é que ninguém nunca deixou os anéis em um continuum", ele disse. "Parece tão óbvio em retrospecto, e não sei por que não pensei nisso antes."
Quando Batygin passou por esses cálculos, ele encontrou a equação emergente surpreendentemente familiar.
"É claro que os dois estão relacionados, certo? Na mecânica quântica, você trata partículas como ondas", disse ele. "Em retrospecto, é quase intuitivo que você consiga algo como a equação de Schrodinger, mas na época eu realmente fiquei realmente surpreso". A equação apareceu inesperadamente antes, ele acrescentou - nas descrições das ondas do oceano, por exemplo, bem como na maneira como a luz se move através de certos meios não lineares.
"O que minha pesquisa demonstra é que o comportamento a longo prazo dos discos astrofísicos, a maneira como eles se dobram e se deformam, se junta a esse grupo de contextos clássicos que podem ser entendidos em uma estrutura essencialmente quântica", afirmou Batygin.
Os novos resultados levantam uma analogia interessante entre as duas situações: a maneira como as ondas viajam através de discos astrofísicos, refletindo nas bordas interna e externa, é equivalente a como uma única partícula quântica salta para frente e para trás entre duas paredes, disse ele.
Encontrar essa equivalência tem uma conseqüência interessante: Batygin conseguiu emprestar parte do trabalho realizado por pesquisadores que já estudaram e trabalharam extensivamente nessa situação quântica e depois interpretaram a equação nesse novo contexto para entender como os discos respondem a estímulos externos. perturbações.
"Os físicos têm muita experiência com a equação de Schrodinger; ela está chegando aos cem anos agora", disse Greg Laughlin, astrofísico da Universidade de Yale, que não estava envolvido com o estudo, à Space.com. "E muito pensamento profundo foi feito para entender suas ramificações. E para que todo o edifício agora possa ser aplicado à evolução dos discos".
"E para alguém como eu - que tem um senso melhor, embora imperfeito, do que os discos proto-estelares fazem - isso também dá a oportunidade de seguir o outro caminho e talvez obter uma visão mais profunda dos sistemas quânticos usando a analogia do disco", ele adicionado. "Eu acho que isso despertará muita atenção e interesse, provavelmente consternação. E, finalmente, acho que será um desenvolvimento realmente interessante".
Uma estrutura de entendimento
Batygin espera aplicar a equação para entender muitas facetas diferentes de discos astrofísicos.
"O que eu apresentei neste artigo é uma estrutura", disse Batygin. "Eu ataquei um problema específico com ele, que é o problema da rigidez do disco - a extensão em que o disco pode permanecer gravitacionalmente rígido sob perturbações externas. Há uma ampla gama de aplicativos adicionais que estou analisando no momento".
Um exemplo é a evolução do disco de entulho que acabou formando nosso sistema solar, disse Batygin. Outra é a dinâmica dos anéis em torno dos planetas extra-solares. E um terço é o disco de estrelas que rodeia o buraco negro no centro da Via Láctea, que é altamente dobrado.
Laughlin observou que o trabalho deve ser particularmente útil para melhorar a compreensão dos pesquisadores sobre os sistemas estelares recém-nascidos, porque eles são mais difíceis de observar de longe, e atualmente os pesquisadores não podem simular seu desenvolvimento do começo ao fim.
"A estrutura matemática que Konstantin montou é um bom exemplo de algo que pode realmente nos ajudar a entender como se comportam objetos com centenas de milhares de órbitas, como um disco formador de planeta", disse ele.
De acordo com Fred Adams, astrofísico da Universidade de Michigan, que não participou do estudo, este novo trabalho é mais útil para sistemas nos quais os efeitos da gravidade em grande escala se cancelam. Para sistemas com influências gravitacionais mais complicadas, como galáxias com braços espirais muito distintos, será necessária alguma outra estratégia de modelagem. Mas para essa classe de problemas, é uma variação interessante na aproximação de ondas em discos astrofísicos, disse ele.
"A pesquisa em qualquer campo, incluindo discos circunstelares, sempre se beneficia do desenvolvimento e uso de novas ferramentas", afirmou Adams. "Este artigo representa o desenvolvimento de uma nova ferramenta analítica, ou uma nova reviravolta nas ferramentas mais antigas, dependendo de como você olha para ela. De qualquer forma, é outra peça do quebra-cabeça maior".
A estrutura permitirá que os pesquisadores entendam as estruturas que os astrônomos veem no céu noturno de uma nova maneira: enquanto esses discos estão mudando em escalas de tempo muito mais longas do que os humanos podem observar, a equação pode ser aplicada para descobrir como um sistema chegou ao ponto que vemos hoje e como isso pode mudar no futuro, disse Batygin. E tudo é baseado em matemática que geralmente descreve interações incrivelmente rápidas e fugazes.
"Existe essa reciprocidade intrigante entre a matemática que governa o comportamento do mundo subatômico e a matemática que governa o comportamento [e] a evolução a longo prazo dessas coisas astronômicas que se desdobram em escalas de tempo muito, muito mais longas", acrescentou. "Acho que é uma consequência notável e intrigante".
O novo trabalho foi detalhado hoje (5 de março) na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
