Por que o interior do sistema solar não gira mais rápido? Velho mistério tem possível nova solução
O movimento de um pequeno número de partículas carregadas pode resolver um mistério de longa data sobre discos finos de gás girando em torno de estrelas jovens, de acordo com um novo estudo da Caltech.
Esses recursos, chamados de discos de acreção , duram dezenas de milhões de anos e são uma fase inicial da evolução do sistema solar. Eles contêm uma pequena fração da massa da estrela em torno da qual giram; imagine um anel semelhante a Saturno tão grande quanto o sistema solar. Eles são chamados de discos de acreção porque o gás nesses discos espirala lentamente em direção à estrela.
Os cientistas perceberam há muito tempo que, quando essa espiral interna ocorre, deve fazer com que a parte radialmente interna do disco gire mais rápido, de acordo com a lei da conservação do momento angular. Para entender a conservação do momento angular, pense em patinadores artísticos giratórios: quando seus braços estão esticados, eles giram lentamente, mas quando puxam os braços, giram mais rápido.
O momento angular é proporcional à velocidade vezes o raio, e a lei da conservação do momento angular afirma que o momento angular em um sistema permanece constante. Assim, se o raio do patinador diminuir porque ele esticou os braços, a única maneira de manter o momento angular constante é aumentar a velocidade de rotação.
O movimento espiral para dentro do disco de acreção é semelhante a um skatista puxando seus braços – e, como tal, a parte interna do disco de acreção deve girar mais rápido. De fato, observações astronômicas mostram que a parte interna de um disco de acreção gira mais rápido. Curiosamente, porém, ele não gira tão rápido quanto o previsto pela lei de conservação do momento angular.
Ao longo dos anos, os pesquisadores investigaram muitas explicações possíveis para o motivo pelo qual o momento angular do disco de acreção não é conservado. Alguns pensaram que o atrito entre as partes rotativas internas e externas do disco de acreção poderia desacelerar a região interna. No entanto, os cálculos mostram que os discos de acreção têm atrito interno desprezível. A principal teoria atual é que os campos magnéticos criam o que é chamado de "instabilidade magnetorrotacional" que gera gás e turbulência magnética - efetivamente formando atrito que diminui a velocidade de rotação do gás em espiral para dentro.
"Isso me preocupou", diz Paul Bellan, professor de física aplicada. "As pessoas sempre querem culpar a turbulência por fenômenos que não entendem. Há uma grande indústria caseira argumentando que a turbulência é responsável pela eliminação do momento angular nos discos de acreção."
Há uma década e meia, Bellan começou a investigar a questão analisando as trajetórias de átomos, elétrons e íons individuais no gás que constitui um disco de acreção. Seu objetivo era determinar como as partículas individuais no gás se comportam quando colidem umas com as outras, bem como como elas se movem entre as colisões, para ver se a perda de momento angular pode ser explicada sem invocar turbulência.
Como ele explicou ao longo dos anos em uma série de artigos e palestras focados nos "primeiros princípios" - o comportamento fundamental das partes constituintes dos discos de acreção - partículas carregadas (ou seja, elétrons e íons) são afetadas tanto pela gravidade quanto pelos campos magnéticos , enquanto os átomos neutros são afetados apenas pela gravidade. Essa diferença, ele suspeitava, era a chave.
O estudante de pós-graduação da Caltech, Yang Zhang, participou de uma dessas palestras depois de fazer um curso no qual aprendeu a criar simulações de moléculas à medida que colidem umas com as outras para produzir a distribuição aleatória de velocidades em gases comuns, como o ar que respiramos. “Aproximei-me de Paul após a palestra, discutimos e finalmente decidimos que as simulações poderiam ser estendidas para partículas carregadas colidindo com partículas neutras em campos magnéticos e gravitacionais”, diz Zhang.
Por fim, Bellan e Zhang criaram um modelo de computador de um disco de acréscimo virtual giratório e superfino. O disco simulado continha cerca de 40.000 partículas neutras e cerca de 1.000 partículas carregadas que poderiam colidir umas com as outras, e o modelo também levou em consideração os efeitos da gravidade e de um campo magnético . "Este modelo tinha a quantidade certa de detalhes para capturar todas as características essenciais", diz Bellan, "porque era grande o suficiente para se comportar como trilhões e trilhões de partículas neutras colidindo, elétrons e íons orbitando uma estrela em um campo magnético. campo."
A simulação de computador mostrou que colisões entre átomos neutros e um número muito menor de partículas carregadas fariam com que íons carregados positivamente, ou cátions, espiralassem para dentro em direção ao centro do disco, enquanto partículas carregadas negativamente (elétrons) espiralavam para fora em direção à borda. As partículas neutras, enquanto isso, perdem momento angular e, como os íons carregados positivamente, espiralam para o centro.
Uma análise cuidadosa da física subjacente no nível subatômico - em particular, a interação entre partículas carregadas e campos magnéticos - mostra que o momento angular não é conservado no sentido clássico, embora algo chamado "momento angular canônico" seja de fato conservado.
O momento angular canônico é a soma do momento angular ordinário original mais uma quantidade adicional que depende da carga de uma partícula e do campo magnético. Para partículas neutras, não há diferença entre o momento angular comum e o momento angular canônico, então se preocupar com o momento angular canônico é desnecessariamente complicado. Mas para partículas carregadas – cátions e elétrons – o momento angular canônico é muito diferente do momento angular comum porque a quantidade magnética adicional é muito grande.
Como os elétrons são negativos e os cátions são positivos, o movimento para dentro dos íons e o movimento para fora dos elétrons, que são causados por colisões, aumenta o momento angular canônico de ambos. As partículas neutras perdem momento angular como resultado de colisões com as partículas carregadas e se movem para dentro, o que equilibra o aumento do momento angular canônico da partícula carregada.
É uma pequena distinção, mas faz uma enorme diferença em uma escala do sistema solar, diz Bellan, que argumenta que essa contabilidade sutil satisfaz a lei de conservação do momento angular canônico para a soma de todas as partículas em todo o disco; apenas cerca de uma em um bilhão de partículas precisa ser carregada para explicar a perda observada de momento angular das partículas neutras .
Além disso, diz Bellan, o movimento para dentro dos cátions e o movimento para fora dos elétrons faz com que o disco se torne algo como uma bateria gigantesca com um terminal positivo próximo ao centro do disco e um terminal negativo na borda do disco. Tal bateria conduziria correntes elétricas que fluíam para fora do disco tanto acima quanto abaixo do plano do disco. Essas correntes alimentariam jatos astrofísicos que saem do disco em ambas as direções ao longo do eixo do disco. De fato, os jatos têm sido observados por astrônomos há mais de um século e são conhecidos por estarem associados a discos de acreção, embora a força por trás deles seja um mistério há muito tempo.
O artigo de Bellan e Yang foi publicado no The Astrophysical Journal em 17 de maio.
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