چرا منظومه‌ شمسی داخلی با سرعت کمتری می‌چرخد؟

دیسکی نازک از گاز و غبار موسوم به قرص برافزایشی دورتادور ستاره‌های جوان می‌چرخد. این دیسک‌ها که سیاره‌ها از دل آن‌ها شکل می‌گیرند حاوی مواد باقی‌مانده‌ی ستاره‌ هستند که تنها کسری از جرم ستاره‌ را تشکیل می‌دهند. براساس قانون پایستگی تکانه‌ی زاویه‌ای، بخش داخلی این دیسک باید سریع‌تر بچرخد زیرا مواد با سرعت آهسته‌تری به سمت ستاره کشیده می‌شوند. این فرایند به حرکت اسکیت‌بازهای روی یخ شباهت دارد که با نزدیک کردن بازوها به بدن خود، سریع‌تر می‌چرخند.

بااین‌حال، مشاهدات قبلی نشان دادند که منظومه‌ی شمسی داخلی یا بخشی از منظومه‌ی شمسی که از خورشید تا کمربند سیارکی کشیده شده و شامل سیاره‌های سنگی است، منطبق با قانون پایستگی تکانه‌ی زاویه‌ای، با سرعت بالا نمی‌چرخد. دانشمندان مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) با استفاده از شبیه‌سازی‌های جدید قرص برافزایشی مجازی، برهم‌کنش ذرات در قرص برافزایشی را نشان دادند. پژوهشگران کلتک در بیانیه‌ای نوشتند:

تکانه‌ی زاویه‌ای متناسب با سرعت، ضرب در شعاع است و براساس قانون پایستگی تکانه‌ی زاویه‌ای، تکانه‌ی زاویه‌ای در یک سیستم ثابت باقی می‌ماند. درنتیجه اگر شعاع یک اسکیت‌باز به دلیل جمع کردن دست‌ها کاهش پیدا کند، تنها راه ثابت نگه‌داشتن تکانه‌ی زاویه‌ای، افزایش سرعت چرخش خواهد بود.

اما چرا تکانه‌ی زاویه‌ای قرص برافزایشی داخلی پایدار نمانده است؟ پژوهش‌های اولیه نشان می‌دهند اصطکاک بین مناطق قرص برافزایشی یا میدان‌های مغناطیسی منجر به ایجاد آشفتگی‌هایی می‌شوند که می‌توانند از سرعت چرخشی گاز درون‌ریز بکاهند. به گفته‌ی پاول بلان، استاد فیزیک کاربردی کلتک و یکی از مؤلفان پژوهش:

افراد همیشه می‌خواهند علت پدیده‌هایی را که درک نمی‌کنند تقصیر آشفتگی بیندازند؛ اما براساس شواهد، آشفتگی می‌تواند علت کاهش تکانه‌ی زاویه‌ای در قرص‌های برافزایشی باشد.

بلان برای درک بهتر اتلاف تکانه‌ی زاویه‌ای به بررسی مسیر اتم‌های مستقل، یون‌ها و گاز در قرص برافزایشی و چگونگی رفتار ذرات در حین برخورد و پس از آن پرداخت. درحالی‌که ذرات بارداری مثل الکترون‌ها و یون‌ها تحت تأثیر گرانش و میدان‌های مغناطیسی قرار دارند، اتم‌های خنثی تنها تحت تأثیر گرانش قرار دارند.

پژوهشگرها از مدل‌های کامپیوتری برای شبیه‌سازی یک قرص برافزایشی استفاده کردند که در آن ۱۰۰۰ ذره‌ی باردار با ۴۰ هزار ذره‌ی خنثی در میدان‌های گرانشی و مغناطیسی برخورد می‌کنند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که برهم‌کنش بین اتم‌های خنثی و تعداد کمتر ذرات باردار به تولید یون‌های باردار مثبت یا کاتیون‌ها می‌انجامد که به سمت داخل می‌چرخند و همچنین ذرات باردار منفی یا الکترون‌ها تولید می‌شوند که به سمت خارج لبه‌ی قرص برافزایشی می‌چرخند. در عین حال ذرات خنثی هم تکانه‌ی زاویه‌ای خود را از دست می‌دهند و به سمت مرکز می‌چرخند.

بدین‌ترتیب، قرص‌ برافزایشی مانند یک باتری غول‌آسا عمل می‌کنند که پایانه‌ی مثبت آن نزدیک به مرکز دیسک و پایانه‌ی منفی آن در لبه‌ی دیسک قرار دارد. این پایانه‌ها جریان‌ها یا جت‌های ماده‌ی قدرتمندی را تولید می‌کنند که از هر دو سمت دیسک به داخل فضا پرتاب می‌شوند. به نقل از بلان:

این مدل از جزئیات کافی برای پوشش تمام مشخصات لازم برخوردار است زیرا به اندازه‌ی کافی بزرگ است که برخورد تریلیون‌ها ذره‌ی خنثی، الکترون و یون‌های اطراف ستاره در میدانی مغناطیسی را شبیه‌سازی کند.

براساس شبیه‌سازی‌های کامپیوتری با وجود کاهش تکانه‌ی زاویه‌ای، تکانه‌ی زاویه‌ی استاندارد پایسته است. تکانه‌ی زاویه‌ای استاندارد به مجموع تکانه‌ی زاویه‌ای معمولی با کمیت اضافه‌ای گفته می‌شود که به بار ذرات و میدان مغناطیسی بستگی دارد. پژوهشگرها در بیانه‌ی خود توضیح می‌دهند:

ازآنجاکه الکترون‌ها منفی و کاتیون‌ها مثبت هستند، حرکت روبه‌داخل یون‌ها و حرکت رو به خارج الکترون‌ها که براثر برخوردها ایجاد می‌شوند، تکانه‌ی زاویه‌ای استاندارد هر دو را افزایش می‌دهند. ذرات خنثی هم به دلیل برخورد با ذرات باردار و حرکت روبه‌داخل، تکانه‌ی زاویه‌ی خود را از دست می‌دهند و همین فرایند، افزایش تکانه‌ی زاویه‌ی استاندارد ذره‌ی باردار را متوازن می‌سازد.

یافته‌های این پژوهش در تاریخ ۱۷ می در مجله‌ی Astrophysical منتشر شدند.