Una nueva investigación vincula la deformación de discos de material a gran escala en el universo con la ecuación de Schrodinger, que describe el comportamiento mecánico cuántico de los objetos atómicos y subatómicos.
(Imagen: © James Tuttle Keane / Instituto de Tecnología de California)
Enormes discos de estrellas o escombros pueden operar bajo las mismas reglas que las partículas subatómicas, cambiando según la ecuación de Schrodinger, que los físicos usan para modelar sistemas de mecánica cuántica.
Ver las estructuras espaciales con esa ecuación puede brindar nuevas ideas sobre cómo evolucionan las galaxias, así como revelar pistas sobre la mecánica del sistema solar temprano y la acción de los anillos que rodean planetas distantes, informa un nuevo estudio.
El investigador del Instituto de Tecnología de California, Konstantin Batygin, autor del nuevo estudio, no esperaba encontrar esa ecuación en particular al estudiar esos discos astrofísicos. "En ese momento, estaba completamente anonadado", dijo Batygin a Space.com. "Esperaba que apareciera la ecuación de onda regular, algo así como la onda de una cuerda o algo así. Y en cambio, obtengo esta ecuación, que es realmente la piedra angular de la mecánica cuántica". [El disco 'Flying Saucer' de Planet-Building es sorprendentemente genial (Video)]
Utilizando la ecuación de Schrodinger, los físicos pueden interpretar las interacciones de los sistemas en escalas atómicas y subatómicas en términos de ondas y partículas, un concepto clave en la mecánica cuántica que describe el comportamiento a veces poco intuitivo de esos sistemas. Resulta que la deformación de los discos astrofísicos también puede actuar como partículas.
"En retrospectiva, cuando miro el problema ahora, estoy sorprendido de cómo no adiviné que eso sería lo que iba a ser", dijo Batygin, quien tal vez sea más conocido (para los laicos, de todos modos) por su colaboración. autor de un estudio de 2016 con el compañero investigador de Caltech Mike Brown que encontró evidencia de un posible "Planeta Nueve" sin descubrir en las profundidades oscuras de nuestro sistema solar exterior.
Explosión del pasado
Batygin se encontró con la conexión cuando daba una clase. Estaba tratando de explicar cómo viajan las ondas a través de los discos anchos que son un elemento básico de la arquitectura espacial; por ejemplo, estos discos están formados por estrellas alrededor de agujeros negros supermasivos en el centro de una galaxia, y están hechos de polvo y escombros en un sistema estelar recién nacido. Los discos se doblan y deforman de una manera compleja que el modelado actual no puede manejar en todas las escalas de tiempo. Los científicos pueden calcular sus acciones en períodos de tiempo muy cortos, como lo que sucede en unas pocas órbitas, así como cómo se dispersarán durante toda una vida, pero no cómo y por qué cambiarán en el orden de cientos de miles de años.
"Las cosas pueden suceder, y realmente no sabes por qué: es un sistema complicado, así que solo ves cómo se desarrollan las cosas, ves cómo se desarrolla una especie de evolución dinámica", dijo Batygin. "A menos que tengas esta intuición física monstruosamente complicada, simplemente no entiendes lo que sucede en tu simulación".
Para seguir el desarrollo de un disco, Batygin tomó prestado un truco de la década de 1770: calcular la forma en que los matemáticos Joseph-Louis Lagrange y Pierre-Simon Laplace modelaron el sistema solar como una serie de bucles gigantes que siguen las órbitas de los planetas. Si bien el modelo no fue útil en escalas de tiempo cortas de algunos circuitos alrededor del sol, podría representar con precisión las interacciones de las órbitas entre sí a lo largo del tiempo.
En lugar de modelar las órbitas de los planetas individuales, Batygin utilizó una serie de anillos cada vez más delgados para representar diferentes piezas del disco astrofísico, como capas de una cebolla, cada una atada a la masa de los cuerpos en órbita dentro de esa región. Las interacciones gravitacionales de los anillos uno con el otro podría modelar cómo se deformaría y cambiaría el disco.
Y cuando el sistema se volvió demasiado complicado de calcular a mano o en la computadora a medida que agregaba más anillos, usó un atajo matemático para convertir a describir un número infinito de anillos infinitamente delgados.
"Este es solo un resultado matemático ampliamente conocido que se usa en física izquierda y derecha", dijo Batygin. Pero aún así, de alguna manera, nadie había dado el salto para modelar un disco astrofísico de esa manera.
"Lo que es realmente notable para mí es que nadie ha desdibujado [los anillos] en un continuo nunca antes", dijo. "Parece tan obvio en retrospectiva, y no sé por qué no pensé en eso antes".
Cuando Batygin realizó esos cálculos, encontró la ecuación emergente sorprendentemente familiar.
"Por supuesto, los dos están relacionados, ¿verdad? En mecánica cuántica, se tratan las partículas como ondas", dijo. "En retrospectiva, es casi intuitivo que debas obtener algo como la ecuación de Schrodinger, pero en ese momento, realmente me sorprendió realmente". La ecuación ha aparecido inesperadamente antes, agregó, en las descripciones de las olas oceánicas, por ejemplo, así como en la forma en que la luz se mueve a través de ciertos medios no lineales.
"Lo que mi investigación demuestra es que el comportamiento a largo plazo de los discos astrofísicos, la forma en que se doblan y deforman, se une a este grupo de contextos clásicos que se pueden entender en un marco esencialmente cuántico", dijo Batygin.
Los nuevos resultados plantean una analogía interesante entre las dos situaciones: la forma en que las ondas viajan a través de discos astrofísicos, rebotando en los bordes interno y externo, es equivalente a cómo una sola partícula cuántica rebota hacia adelante y hacia atrás entre dos paredes, dijo.
Encontrar esta equivalencia tiene una consecuencia interesante: Batygin pudo tomar prestado parte del trabajo realizado por investigadores que ya han estudiado y trabajado a través de esta situación cuántica extensamente, y luego interpretar la ecuación en este nuevo contexto para comprender cómo responden los discos a los tirones externos y perturbaciones
"Los físicos tienen mucha experiencia con la ecuación de Schrodinger; ahora tiene 100 años", dijo a Space.com Greg Laughlin, astrofísico de la Universidad de Yale que no participó en el estudio. "Y se ha pensado mucho en comprender sus ramificaciones. Y ahora todo ese edificio puede aplicarse a la evolución de los discos".
"Y para alguien como yo, que ciertamente tiene un mejor sentido, aunque imperfecto, de lo que hacen los discos protostelares, esto también brinda la oportunidad de ir hacia otro lado y tal vez obtener una visión más profunda de los sistemas cuánticos mediante el uso de la analogía del disco". adicional. "Creo que despertará mucha atención e interés, probablemente consternación. Y, en última instancia, creo que será un desarrollo realmente interesante".
Un marco de entendimiento
Batygin espera aplicar la ecuación para comprender muchas facetas diferentes de los discos astrofísicos.
"Lo que he presentado en este documento es un marco", dijo Batygin. "He atacado un problema particular con él, que es el problema de la rigidez del disco: la medida en que el disco puede permanecer gravitacionalmente rígido bajo perturbaciones externas. Hay una amplia gama de aplicaciones adicionales que estoy investigando en este momento".
Un ejemplo es la evolución del disco de escombros que eventualmente formó nuestro sistema solar, dijo Batygin. Otra es la dinámica de los anillos alrededor de los planetas extrasolares. Y un tercero es el disco de estrellas que rodea el agujero negro en el centro de la Vía Láctea, que está muy doblado.
Laughlin señaló que el trabajo debería ser particularmente útil para mejorar la comprensión de los investigadores sobre los sistemas estelares recién nacidos porque son más difíciles de observar desde lejos, y los investigadores actualmente no pueden simular su desarrollo de principio a fin.
"El marco matemático que Konstantin ha reunido es un buen ejemplo de algo que realmente podría ayudarnos a comprender cómo se comportan los objetos que tienen cientos de miles de órbitas antiguas, como un disco formador de planetas", dijo.
Según Fred Adams, un astrofísico de la Universidad de Michigan que no participó en el estudio, este nuevo trabajo es más útil para sistemas en los que se cancelan los efectos gravitacionales a gran escala. Para sistemas con influencias gravitacionales más complicadas, como las galaxias con brazos espirales muy distintos, se necesitará alguna otra estrategia de modelado. Pero para esta clase de problema, es una variación interesante en las ondas aproximadas en los discos astrofísicos, dijo.
"La investigación en cualquier campo, incluidos los discos circunestelares, siempre se beneficia del desarrollo y uso de nuevas herramientas", dijo Adams. "Este documento representa el desarrollo de una nueva herramienta analítica, o un nuevo giro en las herramientas más antiguas, dependiendo de cómo se mire. De cualquier manera, es otra pieza del rompecabezas más grande".
El marco permitirá a los investigadores comprender las estructuras que los astrónomos ven en el cielo nocturno de una nueva manera: si bien estos discos están cambiando en escalas de tiempo mucho más largas de lo que los humanos pueden observar, la ecuación se puede aplicar para descubrir cómo un sistema llegó al punto que vemos hoy y cómo podría cambiar en el futuro, dijo Batygin. Y todo se basa en las matemáticas que generalmente describen interacciones increíblemente rápidas y fugaces.
"Existe esta reciprocidad intrigante entre las matemáticas que gobiernan el comportamiento del mundo subatómico y las matemáticas que gobiernan el comportamiento [y] la evolución a largo plazo de estas cosas astronómicas que se desarrollan en escalas de tiempo mucho, mucho más largas", agregó. "Eso, creo, es una consecuencia notable e intrigante".
El nuevo trabajo fue detallado hoy (5 de marzo) en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
