Penyelidikan baru mengaitkan pelekapan cakera bahan berskala besar di alam semesta dengan persamaan Schrodinger, yang menerangkan tingkah laku mekanik kuantum objek atom dan subatom.
(Imej: © James Tuttle Keane / Institut Teknologi California)
Cakera bintang atau serpihan yang sangat besar dapat beroperasi di bawah peraturan yang sama dengan zarah subatom, berubah berdasarkan persamaan Schrodinger, yang digunakan oleh ahli fizik untuk memodelkan sistem mekanik kuantum.
Melihat struktur ruang dengan persamaan itu dapat memberikan wawasan baru tentang bagaimana galaksi berkembang, dan juga mengungkapkan petunjuk mengenai mekanik sistem suria awal dan tindakan cincin yang mengelilingi planet yang jauh, sebuah laporan kajian baru.
Penyelidik Institut Teknologi California, Konstantin Batygin, pengarang kajian baru itu, tidak menyangka akan menemui persamaan tertentu ketika mempelajari cakera astrofizik tersebut. "Pada masa itu, saya benar-benar berlantai," kata Batygin kepada Space.com. "Saya menjangkakan persamaan gelombang biasa akan muncul, seperti gelombang tali atau semacamnya. Sebaliknya, saya mendapat persamaan ini, yang benar-benar merupakan asas mekanik kuantum." [Cakera 'Flying Saucer' Planet-Building Sangat Hebat (Video)]
Dengan menggunakan persamaan Schrodinger, ahli fizik dapat mentafsirkan interaksi sistem pada skala atom dan subatomik dari segi gelombang dan juga zarah - konsep utama dalam mekanik kuantum yang menggambarkan tingkah laku sistem yang kadang-kadang tidak disengajakan. Ternyata, pelindung cakera astrofizik juga boleh bertindak seperti zarah.
"Dalam retrospeksi, ketika saya melihat masalahnya sekarang, saya terkejut dengan bagaimana saya tidak hanya meneka bahawa itulah yang akan terjadi," kata Batygin, yang mungkin paling terkenal (pada orang awam) mengarang kajian 2016 dengan rakan penyelidik Caltech, Mike Brown yang menemui bukti kemungkinan "Planet Sembilan" yang belum ditemui di kedalaman gelap sistem suria luar kita.
Letupan dari masa lalu
Batygin terserempak ketika mengajar kelas. Dia berusaha menjelaskan bagaimana gelombang bergerak melalui cakera luas yang merupakan ruji seni bina ruang - misalnya, cakera seperti itu dibina bintang di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi, dan terbuat dari debu dan serpihan dalam sistem bintang yang baru lahir. Disk melengkung dan melengkung dengan cara yang kompleks yang tidak dapat dikendalikan oleh pemodelan semasa pada semua skala masa. Para saintis dapat mengira tindakan mereka dalam jangka masa yang sangat singkat, seperti apa yang berlaku dalam beberapa orbit, dan juga bagaimana mereka akan tersebar sepanjang hayat, tetapi tidak bagaimana dan mengapa mereka akan berubah mengikut urutan ratusan ribu tahun.
"Segala-galanya mungkin berlaku, dan anda tidak benar-benar tahu mengapa - ini adalah sistem yang rumit, jadi anda hanya melihat perkara-perkara yang terungkap, melihat sejenis evolusi dinamik terungkap," kata Batygin. "Kecuali anda mempunyai intuisi fizikal yang sangat rumit ini, anda tidak akan memahami apa yang sedang berlaku dalam simulasi anda."
Untuk mengikuti perkembangan cakera, Batygin meminjam trik dari tahun 1770-an: mengira cara ahli matematik Joseph-Louis Lagrange dan Pierre-Simon Laplace memodelkan sistem suria sebagai rangkaian gelung raksasa yang mengikuti orbit planet. Walaupun model itu tidak berguna pada skala waktu pendek dari beberapa litar di sekitar matahari, model tersebut dapat menggambarkan interaksi orbit dengan satu sama lain dari masa ke masa dengan tepat.
Daripada memodelkan orbit planet individu, Batygin menggunakan rangkaian cincin yang lebih nipis dan nipis untuk mewakili kepingan cakera astrofizik yang berlainan, seperti lapisan bawang, masing-masing terikat pada jisim badan yang mengorbit di wilayah itu. Interaksi graviti cincin satu sama lain dapat memodelkan bagaimana cakera akan melengkung dan berubah.
Dan apabila sistem terlalu rumit untuk dikira dengan tangan atau komputer kerana dia menambah lebih banyak cincin, dia menggunakan jalan pintas matematik untuk menukar untuk menggambarkan bilangan cincin nipis yang tidak terhingga.
"Ini hanya hasil matematik yang diketahui umum yang digunakan dalam fizik kiri dan kanan," kata Batygin. Namun, bagaimanapun, tidak ada yang mengambil langkah untuk memodelkan cakera astrofizik dengan cara itu.
"Apa yang benar-benar luar biasa bagi saya adalah tidak ada yang mengaburkan [cincin] menjadi kontinum sebelumnya," katanya. "Nampaknya begitu jelas dalam retrospeksi, dan saya tidak tahu mengapa saya tidak memikirkannya lebih awal."
Ketika Batygin melalui perhitungan tersebut, dia mendapati persamaan yang muncul sangat biasa.
"Sudah tentu, keduanya saling berkaitan, bukan? Dalam mekanik kuantum, anda menganggap zarah sebagai gelombang," katanya. "Dalam retrospeksi, agak intuitif anda harus mendapatkan sesuatu seperti persamaan Schrodinger, tetapi pada masa itu, saya benar-benar terkejut." Persamaan itu muncul tanpa diduga sebelumnya, tambahnya - dalam perihalan gelombang laut, misalnya, serta cara cahaya bergerak melalui media nonlinier tertentu.
"Apa yang ditunjukkan oleh penyelidikan saya adalah bahawa tingkah laku jangka panjang cakera astrofizik, cara mereka membengkok dan melengkung, bergabung dengan kumpulan konteks klasik ini yang dapat difahami dalam kerangka dasarnya kuantum," kata Batygin.
Hasil baru menimbulkan analogi yang menarik antara dua situasi: Cara gelombang melalui cakera astrofizik, memantul dari tepi dalam dan luar, setara dengan bagaimana satu zarah kuantum melambung bolak-balik antara dua dinding, katanya.
Menemukan kesetaraan ini mempunyai satu akibat yang menarik: Batygin dapat meminjam sebahagian kerja yang dilakukan oleh penyelidik yang telah mempelajari dan mengusahakan situasi kuantum ini secara meluas, dan kemudian menafsirkan persamaan dalam konteks baru ini untuk memahami bagaimana cakera bertindak balas terhadap tarikan luaran dan gangguan.
"Ahli fizik mempunyai banyak pengalaman dengan persamaan Schrodinger; ia muncul pada usia 100 tahun sekarang," kata Greg Laughlin, ahli astrofizik di Universiti Yale yang tidak terlibat dengan kajian itu, kepada Space.com. "Dan banyak pemikiran yang mendalam telah memahami konsekuensinya. Dan sehingga seluruh bangunan sekarang dapat diterapkan pada evolusi disk."
"Dan bagi orang seperti saya - yang memang mengakui pengertian yang lebih baik, walaupun tidak sempurna, mengenai apa yang dilakukan cakera protostellar - ini juga memberi peluang untuk pergi ke arah yang lain dan mungkin mendapatkan pandangan yang lebih mendalam mengenai sistem kuantum dengan menggunakan analogi cakera," katanya tambah. "Saya rasa ini akan mencetuskan banyak perhatian, dan minat, mungkin kekhawatiran. Dan akhirnya saya rasa ini akan menjadi perkembangan yang sangat menarik."
Kerangka pemahaman
Batygin berharap dapat menerapkan persamaan untuk memahami pelbagai aspek cakera astrofizik.
"Apa yang saya kemukakan dalam makalah ini adalah kerangka kerja," kata Batygin. "Saya telah mengatasi satu masalah tertentu dengannya, iaitu masalah kekakuan cakera - sejauh mana cakera dapat tetap kaku secara gravitasi di bawah gangguan luaran. Terdapat pelbagai aplikasi tambahan yang sedang saya kaji saat ini."
Salah satu contohnya ialah evolusi cakera serpihan yang akhirnya membentuk sistem suria kita, kata Batygin. Satu lagi adalah dinamika cincin di sekitar planet luar. Dan yang ketiga adalah cakera bintang yang mengelilingi lubang hitam di tengah Bima Sakti, yang dengan sendirinya sangat bengkok.
Laughlin menyatakan bahawa karya itu harus sangat membantu dalam meningkatkan pemahaman penyelidik mengenai sistem bintang yang baru lahir kerana mereka lebih sukar untuk diperhatikan dari jauh, dan para penyelidik pada masa ini tidak dapat mensimulasikan perkembangannya dari awal hingga akhir.
"Kerangka matematik yang disusun Konstantin adalah contoh yang baik dari sesuatu yang benar-benar dapat membantu kita memahami bagaimana objek yang berusia ratusan ribu orbit, seperti cakera pembentuk planet, berperilaku," katanya.
Menurut Fred Adams, ahli astrofizik di University of Michigan yang tidak terlibat dalam kajian ini, karya baru ini sangat berguna untuk sistem di mana kesan graviti skala besar membatalkan. Untuk sistem dengan pengaruh graviti yang lebih rumit, seperti galaksi dengan lengan lingkaran yang sangat berbeza, beberapa strategi pemodelan lain akan diperlukan. Tetapi untuk kelas masalah ini, ini adalah variasi yang menarik untuk menghampiri gelombang dalam cakera astrofizik, katanya.
"Penyelidikan dalam bidang apa pun, termasuk disk yang bersangkutan, selalu mendapat manfaat dari pengembangan dan penggunaan alat baru," kata Adams. "Makalah ini mewakili pengembangan alat analitik baru, atau kelainan baru pada alat yang lebih tua, bergantung pada bagaimana Anda melihatnya. Bagaimanapun, ini adalah satu lagi teka-teki yang lebih besar."
Rangka kerja ini akan membolehkan para penyelidik memahami struktur yang dilihat para astronom di langit malam dengan cara yang baru: Walaupun cakera ini berubah pada skala waktu yang jauh lebih lama daripada yang dapat diperhatikan oleh manusia, persamaan dapat diterapkan untuk mengetahui bagaimana sistem sampai ke titik yang kita lihat hari ini dan bagaimana ia mungkin berubah pada masa akan datang, kata Batygin. Dan semuanya berdasarkan matematik yang biasanya menggambarkan interaksi cepat dan cepat.
"Terdapat timbal balik yang menarik antara matematik yang mengatur tingkah laku dunia subatomik dan matematik yang mengatur tingkah laku [dan] evolusi jangka panjang perkara astronomi ini yang berkembang pada skala waktu yang jauh lebih lama," tambahnya. "Saya rasa itu adalah akibat yang luar biasa dan menarik."
Karya baru ini diperincikan hari ini (5 Mac) dalam jurnal Notis Bulanan Persatuan Astronomi Diraja.
