Penelitian baru mengikat lengkungan piringan materi berskala besar di alam semesta dengan persamaan Schrodinger, yang menggambarkan perilaku mekanika kuantum benda-benda atom dan subatom.
(Gambar: © James Tuttle Keane / Institut Teknologi California)
Cakram besar bintang atau puing-puing dapat beroperasi di bawah aturan yang sama dengan partikel subatomik, berubah berdasarkan persamaan Schrodinger, yang digunakan fisikawan untuk memodelkan sistem mekanika kuantum.
Melihat struktur ruang dengan persamaan itu dapat memberikan wawasan baru tentang bagaimana galaksi berevolusi, serta mengungkapkan petunjuk tentang mekanisme tata surya awal dan aksi cincin yang mengelilingi planet-planet yang jauh, sebuah studi baru melaporkan.
Peneliti Institut Teknologi California, Konstantin Batygin, penulis studi baru ini, tidak berharap menemukan persamaan tertentu ketika mempelajari cakram astrofisika tersebut. "Pada saat itu, saya benar-benar berlantai," kata Batygin kepada Space.com. "Aku mengharapkan persamaan gelombang reguler muncul, sesuatu seperti gelombang string atau sesuatu seperti itu. Dan sebaliknya, aku mendapatkan persamaan ini, yang sebenarnya adalah landasan mekanika kuantum." [Disk 'Piring Terbang' Pembuatan Planet Itu Sangat Keren (Video)]
Dengan menggunakan persamaan Schrodinger, fisikawan dapat menafsirkan interaksi sistem pada skala atom dan subatomik dalam hal gelombang maupun partikel - sebuah konsep kunci dalam mekanika kuantum yang menggambarkan perilaku sistem yang terkadang tidak intuitif. Ternyata, lengkungan cakram astrofisika dapat bertindak seperti partikel juga.
"Dalam retrospeksi, ketika saya melihat masalah sekarang, saya terkejut melihat bagaimana saya tidak hanya menebak bahwa itulah yang akan terjadi," kata Batygin, yang mungkin paling dikenal (untuk orang awam, bagaimanapun) untuk co- menulis sebuah studi pada tahun 2016 dengan sesama peneliti Caltech, Mike Brown, yang menemukan bukti kemungkinan "Planet Nine" yang belum ditemukan di kedalaman gelap tata surya luar kita.
Ledakan dari masa lalu
Batygin menemukan koneksi saat mengajar kelas. Dia mencoba menjelaskan bagaimana gelombang melintasi cakram luas yang merupakan pokok arsitektur ruang angkasa - misalnya, cakram tersebut dibuat dari bintang-bintang di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi, dan terbuat dari debu dan puing-puing dalam sistem bintang yang baru lahir. Disk menekuk dan melengkung dengan cara yang rumit sehingga pemodelan saat ini tidak dapat menangani semua rentang waktu. Para ilmuwan dapat menghitung tindakan mereka dalam rentang waktu yang sangat singkat, seperti apa yang terjadi selama beberapa orbit, serta bagaimana mereka akan tersebar sepanjang hidup, tetapi tidak bagaimana dan mengapa mereka akan berubah dalam urutan ratusan ribu tahun.
"Hal-hal mungkin terjadi, dan Anda tidak benar-benar tahu mengapa - ini adalah sistem yang rumit, jadi Anda hanya melihat hal-hal yang terbuka, melihat beberapa jenis evolusi dinamis yang terbuka," kata Batygin. "Kecuali kamu memiliki intuisi fisik yang sangat rumit ini, kamu hanya tidak mengerti apa yang terjadi dalam simulasi kamu."
Untuk mengikuti perkembangan disk, Batygin meminjam trik dari tahun 1770-an: menghitung cara ahli matematika Joseph-Louis Lagrange dan Pierre-Simon Laplace memodelkan tata surya sebagai serangkaian loop raksasa mengikuti orbit planet. Sementara model itu tidak membantu pada rentang waktu singkat dari beberapa sirkuit di sekitar matahari, itu bisa secara akurat menggambarkan interaksi orbit satu sama lain dari waktu ke waktu.
Alih-alih memodelkan orbit masing-masing planet, Batygin menggunakan serangkaian cincin yang lebih tipis dan lebih tipis untuk mewakili bagian yang berbeda dari cakram astrofisika, seperti lapisan bawang, masing-masing terikat pada massa benda yang mengorbit di wilayah itu. Interaksi gravitasi cincin ' satu sama lain dapat memodelkan bagaimana disk akan melengkung dan berubah.
Dan ketika sistem menjadi terlalu rumit untuk dihitung dengan tangan atau di komputer ketika dia menambahkan lebih banyak cincin, dia menggunakan jalan pintas matematika untuk mengkonversi untuk menggambarkan jumlah tak terbatas dari cincin tipis tak terhingga.
"Ini hanya hasil matematika yang dikenal luas yang digunakan dalam fisika kiri dan kanan," kata Batygin. Namun, entah bagaimana, tidak ada yang mengambil lompatan untuk memodelkan disk astrofisika seperti itu.
"Apa yang benar-benar luar biasa bagi saya adalah tidak ada yang mengaburkan [cincin] ke dalam rangkaian yang pernah ada sebelumnya," katanya. "Tampaknya begitu jelas dalam retrospeksi, dan aku tidak tahu mengapa aku tidak memikirkannya lebih cepat."
Ketika Batygin melakukan perhitungan-perhitungan itu, ia mendapati persamaan yang muncul itu sangat familier.
"Tentu saja, keduanya terkait, kan? Dalam mekanika kuantum, Anda memperlakukan partikel sebagai gelombang," katanya. "Kalau dipikir-pikir, agak intuitif bahwa kamu seharusnya mendapatkan persamaan Schrodinger, tetapi pada saat itu, aku benar-benar terkejut." Persamaan itu muncul secara tak terduga sebelumnya, ia menambahkan - dalam deskripsi gelombang laut, misalnya, serta cara cahaya bergerak melalui media nonlinier tertentu.
"Apa yang diperlihatkan penelitian saya adalah bahwa perilaku jangka panjang cakram astrofisika, cara mereka menekuk dan melengkung, bergabung dengan kelompok konteks klasik ini yang dapat dipahami dalam kerangka dasarnya kuantum," kata Batygin.
Hasil baru meningkatkan analogi yang menarik antara dua situasi: Cara gelombang melakukan perjalanan melalui cakram astrofisika, memantul dari tepi bagian dalam dan luar, setara dengan bagaimana sebuah partikel kuantum memantul bolak-balik antara dua dinding, katanya.
Menemukan kesetaraan ini memiliki satu konsekuensi menarik: Batygin dapat meminjam beberapa pekerjaan yang dilakukan oleh para peneliti yang telah mempelajari dan bekerja melalui situasi kuantum ini secara luas, dan kemudian menafsirkan persamaan dalam konteks baru ini untuk memahami bagaimana disk merespons tarikan eksternal dan gangguan.
"Fisikawan memiliki banyak pengalaman dengan persamaan Schrodinger; sekarang sudah berusia 100 tahun," Greg Laughlin, astrofisikawan di Universitas Yale yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan kepada Space.com. "Dan banyak pemikiran yang sangat mendalam telah memahami konsekuensinya. Dan agar seluruh bangunan sekarang dapat diterapkan pada evolusi disk."
"Dan bagi seseorang seperti saya - yang mengakui memiliki kepekaan yang lebih baik, meskipun tidak sempurna, dari apa yang dilakukan disk protostellar - ini juga memberikan kesempatan untuk pergi ke arah lain dan mungkin mendapatkan wawasan yang lebih dalam tentang sistem kuantum dengan menggunakan analogi disk," katanya. ditambahkan. "Saya pikir itu akan memicu banyak perhatian, dan minat, mungkin kekhawatiran. Dan akhirnya saya pikir itu akan menjadi perkembangan yang sangat menarik."
Kerangka pemahaman
Batygin berharap untuk menerapkan persamaan untuk memahami berbagai sisi cakram astrofisika.
"Apa yang saya sajikan dalam makalah ini adalah kerangka kerja," kata Batygin. "Saya telah menyerang satu masalah khusus dengannya, yaitu masalah kekakuan cakram - sejauh mana cakram itu dapat tetap kaku secara gravitasi di bawah gangguan eksternal. Ada berbagai aplikasi tambahan yang sedang saya perhatikan saat ini."
Salah satu contoh adalah evolusi piringan puing yang akhirnya membentuk tata surya kita, kata Batygin. Lainnya adalah dinamika cincin di sekitar planet ekstrasurya. Dan yang ketiga adalah piringan bintang yang mengelilingi lubang hitam di pusat Bimasakti, yang dengan sendirinya sangat bengkok.
Laughlin mencatat bahwa pekerjaan tersebut harus sangat membantu dalam meningkatkan pemahaman peneliti tentang sistem bintang yang baru lahir karena mereka lebih sulit untuk diamati dari jauh, dan peneliti saat ini tidak dapat mensimulasikan perkembangan mereka dari awal hingga akhir.
"Kerangka matematika yang telah disatukan Konstantin adalah contoh yang baik dari sesuatu yang mungkin benar-benar membantu kita memahami bagaimana objek yang berusia ratusan ribu orbit, seperti disk pembentuk planet, berperilaku," katanya.
Menurut Fred Adams, seorang astrofisika di University of Michigan yang tidak terlibat dalam penelitian ini, karya baru ini paling berguna untuk sistem di mana efek gravitasi skala besar dibatalkan. Untuk sistem dengan pengaruh gravitasi yang lebih rumit, seperti galaksi dengan lengan spiral yang sangat berbeda, beberapa strategi pemodelan lainnya akan diperlukan. Tetapi untuk kelas masalah ini, ini merupakan variasi yang menarik tentang perkiraan gelombang dalam cakram astrofisika, katanya.
"Penelitian di bidang apa pun, termasuk cakram circumstellar, selalu mendapat manfaat dari pengembangan dan penggunaan alat baru," kata Adams. "Makalah ini mewakili pengembangan alat analitik baru, atau sentuhan baru pada alat yang lebih tua, tergantung pada bagaimana Anda melihatnya. Either way, itu bagian lain dari teka-teki yang lebih besar."
Kerangka kerja ini akan memungkinkan para peneliti memahami struktur yang dilihat para astronom di langit malam dengan cara yang baru: Sementara disk ini berubah pada rentang waktu yang jauh lebih lama daripada yang dapat diamati manusia, persamaan ini dapat diterapkan untuk mencari tahu bagaimana suatu sistem mencapai titik yang kita lihat hari ini dan bagaimana itu mungkin berubah di masa depan, kata Batygin. Dan itu semua berdasarkan matematika yang biasanya menggambarkan interaksi yang sangat cepat dan cepat.
"Ada hubungan timbal balik yang menarik antara matematika yang mengatur perilaku dunia subatomik dan matematika yang mengatur perilaku [dan] evolusi jangka panjang dari hal-hal astronomis ini yang terungkap pada rentang waktu yang jauh lebih lama," tambahnya. "Itu, saya pikir, adalah konsekuensi yang luar biasa dan menarik."
Karya baru itu dirinci hari ini (5 Maret) dalam jurnal Pemberitahuan Bulanan dari Royal Astronomical Society.
