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El movimiento de una pequeña cantidad de partículas cargadas puede resolver un antiguo misterio sobre los delgados discos de gas que giran alrededor de estrellas jóvenes, según un nuevo estudio de Caltech.
Estas características, llamadas discos de acreción, duran decenas de millones de años y son una fase temprana de la evolución del sistema solar. Contienen una pequeña fracción de la masa de la estrella alrededor de la cual giran; imagina un anillo similar a Saturno tan grande como el sistema solar. Se llaman discos de acreción porque el gas en estos discos gira lentamente en espiral hacia la estrella.
Los científicos se dieron cuenta hace mucho tiempo de que cuando ocurre esta espiral hacia adentro, debería hacer que la parte radialmente interna del disco gire más rápido, de acuerdo con la ley de conservación del momento angular. Para comprender la conservación del momento angular, piense en los patinadores artísticos que giran:cuando sus brazos están extendidos, giran lentamente, pero cuando retraen sus brazos, giran más rápido.
El momento angular es proporcional a la velocidad por el radio, y la ley de conservación del momento angular establece que el momento angular en un sistema permanece constante. Entonces, si el radio del patinador disminuye porque ha metido los brazos, entonces la única forma de mantener constante el momento angular es aumentar la velocidad de giro.
El movimiento en espiral hacia adentro del disco de acreción es similar a un patinador que mete los brazos y, como tal, la parte interna del disco de acreción debería girar más rápido. De hecho, las observaciones astronómicas muestran que la parte interna de un disco de acreción gira más rápido. Sin embargo, curiosamente, no gira tan rápido como predice la ley de conservación del momento angular.
A lo largo de los años, los investigadores han investigado muchas posibles explicaciones de por qué no se conserva el momento angular del disco de acreción. Algunos pensaron que la fricción entre las partes giratorias internas y externas del disco de acreción podría ralentizar la región interna. Sin embargo, los cálculos muestran que los discos de acreción tienen una fricción interna insignificante. La principal teoría actual es que los campos magnéticos crean lo que se llama una "inestabilidad magnetorrotacional" que genera gas y turbulencia magnética, formando efectivamente fricción que reduce la velocidad de rotación del gas en espiral hacia adentro.
"Eso me preocupó", dice Paul Bellan, profesor de física aplicada. "La gente siempre quiere culpar a las turbulencias por fenómenos que no entienden. Hay una gran industria artesanal en este momento que argumenta que las turbulencias explican la eliminación del momento angular en los discos de acreción".
Hace una década y media, Bellan comenzó a investigar la cuestión analizando las trayectorias de átomos, electrones e iones individuales en el gas que constituye un disco de acreción. Su objetivo era determinar cómo se comportan las partículas individuales en el gas cuando chocan entre sí, así como también cómo se mueven entre colisiones, para ver si la pérdida de momento angular podría explicarse sin invocar la turbulencia.
Como explicó a lo largo de los años en una serie de artículos y conferencias que se centraron en los "primeros principios", el comportamiento fundamental de las partes constituyentes de los discos de acreción, las partículas cargadas (es decir, los electrones y los iones) se ven afectadas tanto por la gravedad como por los campos magnéticos. , mientras que los átomos neutros solo se ven afectados por la gravedad. Sospechaba que esta diferencia era clave.
El estudiante graduado de Caltech, Yang Zhang, asistió a una de esas charlas después de tomar un curso en el que aprendió a crear simulaciones de moléculas cuando chocan entre sí para producir la distribución aleatoria de velocidades en gases ordinarios, como el aire que respiramos. "Me acerqué a Paul después de la charla, lo discutimos y finalmente decidimos que las simulaciones podrían extenderse a partículas cargadas que colisionan con partículas neutras en campos magnéticos y gravitacionales", dice Zhang.
En última instancia, Bellan y Zhang crearon un modelo informático de un disco de acreción virtual súper delgado y giratorio. El disco simulado contenía alrededor de 40.000 partículas neutras y alrededor de 1.000 cargadas que podrían chocar entre sí, y el modelo también tuvo en cuenta los efectos de la gravedad y el campo magnético. "Este modelo tenía la cantidad justa de detalles para capturar todas las características esenciales", dice Bellan, "porque era lo suficientemente grande como para comportarse como billones y billones de colisiones de partículas neutras, electrones e iones que orbitan una estrella en un campo magnético". campo."
La simulación por computadora mostró que las colisiones entre átomos neutros y un número mucho menor de partículas cargadas harían que los iones cargados positivamente, o cationes, giraran en espiral hacia el centro del disco, mientras que las partículas cargadas negativamente (electrones) giraran en espiral hacia el borde. Mientras tanto, las partículas neutras pierden momento angular y, al igual que los iones cargados positivamente, giran en espiral hacia el centro.
Un análisis cuidadoso de la física subyacente a nivel subatómico, en particular, la interacción entre partículas cargadas y campos magnéticos, muestra que el momento angular no se conserva en el sentido clásico, aunque sí se conserva algo llamado "momento angular canónico".
El momento angular canónico es la suma del momento angular ordinario original más una cantidad adicional que depende de la carga de una partícula y el campo magnético. Para las partículas neutras, no hay diferencia entre el momento angular ordinario y el momento angular canónico, por lo que preocuparse por el momento angular canónico es innecesariamente complicado. Pero para las partículas cargadas (cationes y electrones), el momento angular canónico es muy diferente del momento angular ordinario porque la cantidad magnética adicional es muy grande.
Debido a que los electrones son negativos y los cationes son positivos, el movimiento hacia adentro de los iones y el movimiento hacia afuera de los electrones, que son causados por colisiones, aumenta el momento angular canónico de ambos. Las partículas neutras pierden momento angular como resultado de las colisiones con las partículas cargadas y se mueven hacia adentro, lo que equilibra el aumento del momento angular canónico de las partículas cargadas.
Es una pequeña distinción, pero marca una gran diferencia a escala de todo el sistema solar, dice Bellan, quien argumenta que esta contabilidad sutil satisface la ley de conservación del momento angular canónico para la suma de todas las partículas en todo el disco; solo se necesita cargar aproximadamente una entre mil millones de partículas para explicar la pérdida observada de momento angular de las partículas neutras.
Además, dice Bellan, el movimiento hacia adentro de los cationes y el movimiento hacia afuera de los electrones hace que el disco se convierta en una especie de batería gigantesca con una terminal positiva cerca del centro del disco y una terminal negativa en el borde del disco. Tal batería impulsaría las corrientes eléctricas que se alejan del disco tanto por encima como por debajo del plano del disco. Estas corrientes impulsarían chorros astrofísicos que salen disparados del disco en ambas direcciones a lo largo del eje del disco. De hecho, los astrónomos han observado chorros durante más de un siglo y se sabe que están asociados con discos de acreción, aunque la fuerza detrás de ellos ha sido durante mucho tiempo un misterio.
El artículo de Bellan y Yang se publicó en The Astrophysical Journal el 17 de mayo. + Explora más
