Układ Słoneczny obraca się w zaskakujący sposób. Astrofizycy wyjaśniają zagadkę

W teorii mogłoby się wydawać, że wewnętrzna część młodego Układu Słonecznego powinna poruszać się szybciej niż zewnętrzna. Dlaczego tak się jednak nie stało?

Paul Bellan i Yang Zhang z Caltech stworzyli model wirującego wirtualnego dysku akrecyjnego. Składał się on z około 40 000 neutralnych i około 1000 naładowanych cząstek, które mogły zderzać się ze sobą, a wszystko to z uwzględnieniem działania grawitacji i pola magnetycznego. Stanowił on odpowiednik ogromnej liczby zderzających się ze sobą neutralnych cząstek, elektronów i jonów krążących w obrębie pola magnetycznego wokół młodej gwiazdy takiej jak Słońce.

Czytaj też: Gwiazda krąży wokół czarnej dziury w rekordowo krótkim czasie. Takiej obserwacji jeszcze nie było

Dyski złożone z pyłu i gazu, które krążą wokół młodych gwiazd, są określane mianem dysków akrecyjnych. W ich skład wchodzi niewielki ułamek masy gwiazdy, wokół której wirują. Zdaniem naukowców taka spirala powinna cechować się tym, że jej wewnętrzna część będzie obracała się coraz szybciej, zgodnie z prawem zachowania momentu pędu. Można to porównać do łyżwiarzy figurowych, którzy zaczynają kręcić się znacznie szybciej, gdy przestają rozkładać ręce i zbliżają je do korpusu.

Jako że ruch spiralny dysku akrecyjnego można uznać za analogiczny do obrotów wykonywanych przez łyżwiarzy, to wewnętrzna część tego dysku powinna wirować szybciej niż zewnętrzna. Faktyczne wyniki są natomiast niezgodne z tym, co sugerowałyby prawo zachowania momentu pędu. Wśród proponowanych wyjaśnień tego fenomenu znalazły się między innymi odniesienia do tarcia między wewnętrzną i zewnętrzną częścią takiego dysku. W grę wchodziła nawet tzw. niestabilność magnetorotacyjna, za sprawą której miałyby pojawiać się turbulencje magnetyczne i gazowe prowadzące do tarcia i obniżenia prędkości obrotowej.

Młody Układ Słoneczny powstał z tzw. dysku akrecyjnego

Bellan i Zhang zaprezentowali swoje ustalenia na łamach The Astrophysical Journal. Ich badania odnoszą się do tego, jak poszczególne cząstki gazu zachowują się podczas zderzania się ze sobą. Poza tym autorzy badań skupili się na tym, jak owe cząstki poruszają się pomiędzy zderzeniami. Wstępna hipoteza zakładała, iż podstawę obrotu dysków akrecyjnych stanowiła różnica między oddziaływaniami. O ile elektrony i jony miałyby znajdować się pod wpływem grawitacji, jak i pola magnetycznego, tak neutralne atomy miałyby się w tym przypadku ograniczać wyłącznie do grawitacji.

Wspomniana na początku symulacja wykazała, iż zderzenia pomiędzy neutralnymi atomami i znacznie mniejszą liczbą naładowanych cząstek prowadziły do sytuacji, w której dodatnio naładowane jony poruszałyby się do wewnątrz w kierunku centrum dysku, natomiast ujemnie naładowane cząstki – do zewnątrz. Osobną kategorię stanowiłyby cząstki neutralne tracące moment pędu i krążące w stronę środka.

Czytaj też: Martwisz się, jaka przyszłość czeka Układ Słoneczny? Jak na razie możesz spać spokojnie

Kluczową rolę wydaje się odgrywać tzw. kanoniczny moment pędu, który w przypadku cząstek naładowanych znacząco różni się od zwykłego momentu pędu. A jako że elektrony są ujemne, a kationy dodatnie, to ruch jonów do wewnątrz i ruch elektronów do zewnątrz potęguje kanoniczny moment pędu tych cząstek. Neutralne tracą moment pędu w wyniku zderzeń z naładowanymi i poruszają się do wewnątrz, co równoważy wzrost kanonicznego momentu pędu cząstek naładowanych. Bellan i Zhang wykazali to na niewielką skalę, lecz w rzeczywistości takie zjawisko obejmuje całe gwiazdy i ich dyski.