Движение крохотного числа заряженных частиц может помочь разрешить давнюю загадку вращения газовых дисков вокруг молодых звезд, согласно новому исследованию.
Эти структуры, называемые аккреционными дисками, существуют на протяжении десятков миллионов лет и представляют ранний этап эволюции системы звезды. Они содержат материал массой, составляющей лишь небольшую долю от массы звезды, вокруг которой они вращаются. Они называются аккреционными дисками, поскольку газ в этих дисках падает на звезду, приближаясь к ней по спиральной траектории.
Ученые давно поняли, что при таком спиральном падении материала внутренняя часть диска должна вращаться быстрее, что связано с известным законом сохранения углового момента. В самом деле, наблюдения показывают, то внутренняя часть диска вращается быстрее, чем внешняя часть – однако медленнее, чем следует из расчетов, проведенных для системы звезды, исходя из момента сохранения углового момента.
Для объяснения этого несоответствия предлагался ряд гипотез, включая трение между внутренним и внешним диском, а также так называемую «магниторотационную неустойчивость», генерирующую турбулентные эффекты в газе, находящемся в магнитном поле. Однако все описанные гипотезы не дают четкого объяснения причин замедления вращения внутреннего диска Солнечной системы.
В новом исследовании, проведенном группой под руководством Пола Беллана (Paul Bellan), профессора прикладной физики из Кальфорнийского технологического института, США, для решения вопроса о замедлении вращения внутренней части аккреционного диска были смоделированы траектории индивидуальных атомов, электронов и ионов газа. Подробное моделирование показало, что столкновения между нейтральными атомами и значительно меньшими количествами заряженных частиц приводили к тому, что положительно заряженные ионы, или катионы, двигались по спирали к центру диска, в то время как отрицательно заряженные частицы, электроны, оттеснялись к периферии. Нейтральные частицы, тем временем, теряли угловой момент и, подобно катионам, двигались по спирали к центру системы. Подробный математический данного процесса показал, что классический угловой момент в данном случае не сохраняется, однако введенная авторами величина, получившая название «канонического углового момента» и численно равная сумме обычного углового момента и поправки, зависящей от заряда частицы и параметров магнитного поля, демонстрировала четкую тенденцию к сохранению.
Согласно авторам, для нейтральных частиц разница между величинами классического и канонического угловых моментов незначительна, в то время как для заряженных частиц вклад составляющей, связанной с магнитными полями, становится весьма существенным.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а электроны – положительный заряд, то движение катионов внутрь при одновременном оттеснении электронов наружу увеличивает общий канонический угловой момент системы. В то же время нейтральные частицы теряют угловой момент в результате столкновений с заряженными частицами и двигаются внутрь, компенсируя таким образом рост канонического углового момента, достигнутый за счет заряженных частиц, пояснили авторы.
Работа опубликована в журнале Astrophysical Journal.
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220707161425
Обозрение "Terra & Comp".
