太阳系

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  • 最近更新2022年08月05日

太阳系内部的旋转速度比现代物理学定律预测的要慢得多,一项新的研究可能有助于解释原因。 

一个由气体和尘埃组成的薄盘——被称为吸积盘——围绕着年轻的恒星旋转。这些形成行星的圆盘包含剩余的恒星形成物质,这些物质只是恒星质量的一小部分。根据角动量守恒定律,圆盘的内部应该随着材料缓慢地向内盘旋向恒星旋转得更快,类似于花样滑冰运动员将手臂靠近身体时旋转得更快。 

然而,先前的观测表明,太阳系内部——从太阳延伸到小行星带并包括类地行星的太阳系区域——并不像角动量守恒定律所预测的那样快。使用虚拟吸积盘的新模拟,加州理工学院 (Caltech) 的科学家们展示了吸积盘中的粒子如何相互作用。 

“角动量与速度乘以半径成正比,角动量守恒定律表明系统中的角动量保持恒定,”加州理工学院的研究人员在一份声明中写道。“所以,如果滑冰者的半径因手臂伸入而减小,那么保持角动量恒定的唯一方法就是增加旋转速度。”

那么为什么内吸积盘的角动量不守恒呢?声明称,较早的研究表明,吸积盘区域之间的摩擦或产生湍流(并产生摩擦)的磁场可能会减慢下落气体的旋转速度。 

“这让我很担心,”加州理工学院应用物理学教授、该研究的合著者保罗·贝兰在声明中说。“人们总是想把他们不理解的现象归咎于湍流。现在有一个很大的家庭手工业认为湍流是吸积盘中角动量消失的原因。”

为了更好地理解角动量损失,贝兰研究了吸积盘中单个原子、离子和气体的轨迹,进而研究了粒子在碰撞期间和碰撞后的行为。虽然带电粒子(电子和离子)同时受到重力和磁场的影响,但中性原子仅受重力影响。 

研究人员使用计算机模型模拟了 1,000 个带电粒子与 40,000 个中性粒子在磁场和引力场中碰撞的吸积盘。他们发现,中性原子与数量少得多的带电粒子之间的相互作用导致带正电的离子或阳离子向内盘旋,而带负电的粒子或电子则向外移向吸积盘的边缘。同时,中性粒子失去角动量,向中心旋转。 

反过来,吸积盘就像一个巨大的电池,在盘中心附近有一个正极端子,在磁盘边缘有一个负极端子。这些终端产生强大的电流或物质射流,从圆盘的两侧 射入太空。

“这个模型的细节恰到好处,可以捕捉到所有基本特征,因为它大到足以表现得就像数以万亿计的碰撞中性粒子、电子和离子在磁场中围绕恒星运行一样,”贝兰在陈述。 

根据声明,计算机模拟表明,虽然角动量消失了,但规范角动量——原始普通角动量加上一个取决于粒子电荷和磁场的额外量的总和——是守恒的。 

研究人员在声明中解释说:“因为电子是负的,而阳离子是正的,所以由碰撞引起的离子向内运动和电子向外运动会增加两者的规范角动量。” “中性粒子由于与带电粒子的碰撞而失去角动量并向内移动,这抵消了带电粒子规范角动量的增加。”

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