新しい研究は、宇宙における物質の大規模なディスクの反りを、原子およびサブ原子オブジェクトの量子力学的挙動を記述するシュレディンガー方程式と結び付けます。
（画像：©James Tuttle Keane /カリフォルニア工科大学）
星や破片の巨大な円盤は、物理学者が量子力学システムのモデル化に使用するシュレディンガー方程式に基づいて変化する、亜原子粒子と同じルールの下で動作できます。
その方程式で宇宙構造を見ると、銀河がどのように進化するかについての新しい洞察が得られるだけでなく、初期の太陽系の力学と遠方の惑星を周回するリングの作用についての手がかりが明らかになると、新しい研究が報告しています。
新しい研究の著者であるカリフォルニア工科大学の研究者であるコンスタンティン・バティギンは、それらの天体物理学の円盤を研究するときにその特定の方程式を見つけることを期待していませんでした。 「当時、私は完全に床に置かれていた」とバティギン氏はSpace.comに語った。 「弦の波のような通常の波動方程式が現れることを期待していました。代わりに、この方程式を取得しました。これは、量子力学の基礎です。」 [惑星を構築する「フライングソーサー」ディスクは驚くほどクール（ビデオ）]
物理学者はシュレディンガー方程式を使用して、原子および原子レベルでのシステムの相互作用を波および粒子の観点から解釈できます。これらのシステムの直観的でない動作を説明する量子力学の重要な概念です。結局、天体物理学ディスクの反りも粒子のように振る舞うことができます。
「振り返ってみると、今問題を見ると、それがそうなると思っていたのではないことに驚いた」と共同で知られている（とにかく一般人に）とよく知られているBatyginは言った。外部の太陽系の暗い深さで未発見の「プラネットナイン」が存在する可能性があるという証拠を発見した、Caltechの研究者であるマイクブラウンとの2016年の研究の執筆。
過去からの爆風
バティギンはクラスを教えるときにそのつながりに出くわしました。彼は波が宇宙建築の定番である広い円盤をどのように移動するかを説明しようとしていました。たとえば、そのような円盤は銀河の中心にある超大質量ブラックホールの周りの星で構成され、新生児の星系では塵や破片でできています。ディスクは、現在のモデリングではすべてのタイムスケールで処理できない複雑な方法で曲がったり歪んだりします。科学者は、数軌道で何が起こるか、寿命全体でどのように分散するかなど、非常に短い期間での行動を計算できますが、数十万年のオーダーで変化する方法と理由は計算できません。
「事態が発生する可能性があり、その理由が本当にわからない。これは複雑なシステムであるため、物事が展開しているように見え、何らかの動的進化が展開しているのがわかる」 「この非常に複雑な物理的直感がない限り、シミュレーションで何が起こっているのか理解できません。」
ディスクの発展を追跡するために、バティギンは1770年代からトリックを借りました。数学者のジョセフ=ルイラグランジュとピエール=シモンラプラスが太陽系を惑星の軌道に続く一連の巨大なループとしてモデル化する方法を計算しました。太陽の周りのいくつかの回路の短いタイムスケールではモデルは役に立ちませんでしたが、時間の経過に伴う軌道同士の相互作用を正確に表すことができました。
個々の惑星の軌道をモデル化する代わりに、バティギンは一連のより薄いリングを使用して、それぞれがその領域内の軌道を回る物体の質量に結び付けられた玉ねぎの層のような、天体物理ディスクのさまざまな部分を表現しました。リングの重力相互作用お互いを使って、ディスクがどのように歪んで変化するかをモデル化できます。
さらに、システムが複雑になり、リングを追加したために手動またはコンピューターで計算できない場合、数学的なショートカットを使用して、無限に薄い無限のリングの記述に変換しました。
「これは広く知られている数学的な結果であり、左右の物理学で使用されている」とバティギン氏は語った。しかし、それでも、どういうわけか、そのような方法で天体物理学のディスクをモデル化するために誰も飛躍を遂げていませんでした。
「私にとって本当に驚くべきことは、これまでに誰も[リング]をぼやけて連続体にしたことがないということです」と彼は言った。 「振り返ってみるとそれはとても明白なようで、なぜ私がそれをもっと早く考えなかったのか分かりません。」
バティギンがこれらの計算を行ったとき、彼は驚くほど馴染みのある新しい方程式を見つけました。
「もちろん、この2つは関連していますよね？量子力学では、粒子を波として扱います」と彼は言った。 「振り返ってみると、シュレディンガー方程式のようなものが得られるのはほとんど直感的ですが、当時、私は本当に本当に驚いていました。」彼は、たとえば、海の波の説明や、光が特定の非線形媒質を通過する方法などについて、以前に予想外に飛び出したと付け加えた。
「私の研究が示しているのは、天体物理学ディスクの長期的な振る舞い、つまりそれらが曲がったり歪んだりする方法が、本質的に量子的なフレームワークで理解できるこの古典的な文脈のグループに加わることです」とバティギン氏は語った。
新しい結果は、2つの状況の間で興味深い類似性を生み出します。波が天体物理学の円盤を通過して内縁と外縁で跳ね返る方法は、単一の量子粒子が2つの壁の間を行き来するのと同じです。
この同等性を見つけることには興味深い結果が1つあります。Batyginは、この量子状況をすでに十分に研究および研究した研究者によって行われた作業の一部を借りることができ、この新しいコンテキストで方程式を解釈して、ディスクが外部のプルにどのように応答するかを理解できました。摂動。
「物理学者はシュレディンガー方程式に多くの経験を持っています。それは今100年前に登場します」研究に関与しなかったイェール大学の天体物理学者、グレッグ・ラフリンはSpace.comに語った。 「そして、多くの非常に深い考えがその影響を理解するために費やされました。そしてそれで、全体の建造物は今やディスクの進化に適用することができます。」
「そして、私のような誰かにとって-原始星円盤が何をするかについて不完全ではあるがより良い感覚を確かに持っている-これはまた、逆に進み、おそらくディスクの類推を使用することによって量子システムをより深く洞察する機会を与えてくれる」追加されました。 「私はそれが多くの注目と興味、おそらく恐怖に火をつけるだろうと思います。そして結局、それは本当に興味深い発展になると思います。」
理解の枠組み
Batyginは、この方程式を天体物理学のディスクのさまざまな側面を理解するために適用することを楽しみにしています。
「この論文で提示したのはフレームワークです」とバティギン氏は語った。 「私はそれに関する1つの特定の問題を攻撃しました。それは、ディスクの剛性の問題です。つまり、外部の摂動の下でディスクが重力によって固定されたままでいられる程度です。現在調査している追加のアプリケーションは多岐にわたります。」
一つの例は、最終的に私たちの太陽系を形成した破片の円盤の進化です、とバティギンは言いました。もう一つは、太陽系外惑星の周りのリングのダイナミクスです。そして三番目は、天の川の中心にあるブラックホールを取り巻く星の円盤で、それ自体は非常に曲がっています。
ラフリン氏は、この研究は新生星系の研究を理解する上で特に役立つはずであると述べた。それらは遠方から観察することが困難であり、研究者は現在、最初から最後まで発達をシミュレーションすることができない。
「コンスタンティンがまとめた数学的フレームワークは、惑星を形成する円盤のように、何十万軌道もあるオブジェクトがどのように動作するかを理解するのに役立つものの良い例です」と彼は言った。
研究に関与しなかったミシガン大学の天体物理学者であるフレッドアダムスによると、この新しい研究は、大規模な重力効果が相殺されるシステムに最も有用です。非常に異なる渦状腕を持つ銀河のように、より複雑な重力の影響があるシステムでは、他のモデリング戦略が必要になります。しかし、このクラスの問題については、それは天体物理学の円盤における波の近似の興味深い変化だと彼は言った。
「星周円盤を含むあらゆる分野の研究は、常に新しいツールの開発と使用から恩恵を受ける」とアダムズは言った。 「このペーパーは、見方によっては、新しい分析ツールの開発、または古いツールの新しいひねりを表しています。どちらにしても、それは大きなパズルの別のピースです。」
このフレームワークにより、研究者は天文学者が夜空で見る構造を新しい方法で理解できるようになります。これらの円盤は、人間が観測できるよりもはるかに長いタイムスケールで変化しますが、方程式を適用して、システムがどのように私たちが目にするポイントに到達したかを理解できます今日、そしてそれが将来どのように変化するかについて、バティギンは言った。そして、それはすべて、通常、信じられないほど速く、つかの間の相互作用を説明する数学に基づいています。
「亜原子世界の振る舞いを支配する数学と、振る舞いを支配する数学と、はるかに長い時間スケールで繰り広げられるこれらの天文学的なものの長期的な進化との間には、この興味深い相互関係がある」と彼は付け加えた。 「それは私が思うに、注目に値する興味深い結果です。」
新しい研究は、今日（3月5日）、Royal Astronomical SocietyのMonthly Noticesジャーナルで詳述されました。
