De nouvelles recherches associent la déformation de disques de matériaux à grande échelle dans l'univers à l'équation de Schrodinger, qui décrit le comportement mécanique quantique des objets atomiques et subatomiques.
(Image: © James Tuttle Keane / California Institute of Technology)
D'énormes disques d'étoiles ou de débris peuvent fonctionner selon les mêmes règles que les particules subatomiques, changeant en fonction de l'équation de Schrodinger, que les physiciens utilisent pour modéliser des systèmes de mécanique quantique.
Une nouvelle étude rapporte que la visualisation des structures spatiales avec cette équation peut apporter de nouvelles informations sur l'évolution des galaxies, ainsi que révéler des indices sur la mécanique du système solaire primitif et l'action des anneaux encerclant des planètes éloignées.
Le chercheur du California Institute of Technology, Konstantin Batygin, auteur de la nouvelle étude, ne s'attendait pas à trouver cette équation particulière lors de l'étude de ces disques astrophysiques. "À l'époque, j'étais complètement abasourdi", a déclaré Batygin à Space.com. "Je m'attendais à ce que l'équation d'onde régulière apparaisse, quelque chose comme l'onde d'une corde ou quelque chose comme ça. Et à la place, je reçois cette équation, qui est vraiment la pierre angulaire de la mécanique quantique." [Le disque «Flying Saucer» de Planet-Building est étonnamment cool (vidéo)]
En utilisant l'équation de Schrodinger, les physiciens peuvent interpréter les interactions des systèmes aux échelles atomiques et subatomiques en termes d'ondes ainsi que de particules - un concept clé en mécanique quantique qui décrit le comportement parfois peu intuitif de ces systèmes. Il s'avère que la déformation des disques astrophysiques peut également agir comme des particules.
"Rétrospectivement, quand je regarde le problème maintenant, je suis surpris de voir que je ne me suis pas contenté de deviner que ça allait être", a déclaré Batygin, qui est peut-être le plus connu (pour les profanes, de toute façon) pour auteur d'une étude de 2016 avec un collègue chercheur de Caltech, Mike Brown, qui a trouvé des preuves d'un possible "Planet Nine" non découvert dans les profondeurs sombres de notre système solaire externe.
Le souffle du passé
Batygin est tombé sur la connexion lors de l'enseignement d'une classe. Il essayait d'expliquer comment les vagues voyagent à travers les larges disques qui sont un élément essentiel de l'architecture spatiale - par exemple, ces disques sont construits d'étoiles autour de trous noirs supermassifs au centre d'une galaxie, et faits de poussière et de débris dans un système d'étoiles nouveau-né. Les disques se plient et se déforment d'une manière complexe que la modélisation actuelle ne peut pas gérer à toutes les échelles de temps. Les scientifiques peuvent calculer leurs actions sur des périodes de temps très courtes, comme ce qui se passe sur quelques orbites, ainsi que la façon dont elles se disperseront sur toute une vie, mais pas comment ni pourquoi elles changeront de l'ordre de centaines de milliers d'années.
"Des choses pourraient arriver, et vous ne savez pas vraiment pourquoi - c'est un système compliqué, donc vous voyez juste des choses se dérouler, vous voyez une sorte d'évolution dynamique se dérouler", a déclaré Batygin. "A moins d'avoir cette intuition physique monstrueusement compliquée, vous ne comprenez tout simplement pas ce qui se passe dans votre simulation."
Pour suivre le développement d'un disque, Batygin a emprunté une astuce des années 1770: calculer la façon dont les mathématiciens Joseph-Louis Lagrange et Pierre-Simon Laplace ont modélisé le système solaire comme une série de boucles géantes suivant les orbites des planètes. Bien que le modèle n'ait pas été utile sur de courtes échelles de temps de quelques circuits autour du soleil, il pouvait représenter avec précision les interactions des orbites entre elles au fil du temps.
Au lieu de modéliser les orbites de planètes individuelles, Batygin a utilisé une série d'anneaux de plus en plus minces pour représenter différentes pièces du disque astrophysique, comme des couches d'oignon, chacune liée à la masse des corps en orbite dans cette région. les uns avec les autres pourraient modéliser la façon dont le disque se déformerait et changerait.
Et lorsque le système est devenu trop compliqué à calculer à la main ou sur ordinateur alors qu'il ajoutait plus d'anneaux, il a utilisé un raccourci mathématique pour se convertir en décrivant un nombre infini d'anneaux infiniment minces.
"Ce n'est qu'un résultat mathématique largement connu qui est utilisé en physique à gauche et à droite", a déclaré Batygin. Mais pourtant, personne n'avait fait le saut pour modéliser un disque astrophysique de cette façon.
"Ce qui est vraiment remarquable pour moi, c'est que personne n'a encore brouillé [les anneaux] dans un continuum", a-t-il déclaré. "Cela semble si évident rétrospectivement, et je ne sais pas pourquoi je n'y ai pas pensé plus tôt."
Lorsque Batygin a effectué ces calculs, il a trouvé l'équation émergente étonnamment familière.
"Bien sûr, les deux sont liés, non? En mécanique quantique, vous traitez les particules comme des ondes", a-t-il déclaré. "Rétrospectivement, c'est un peu presque intuitif que vous devriez obtenir quelque chose comme l'équation de Schrodinger, mais à l'époque, j'étais vraiment vraiment surpris." L'équation a surgi de manière inattendue auparavant, a-t-il ajouté - dans les descriptions des vagues de l'océan, par exemple, ainsi que la façon dont la lumière se déplace à travers certains médias non linéaires.
"Ce que mes recherches démontrent, c'est que le comportement à long terme des disques astrophysiques, la façon dont ils se plient et se déforment, rejoint ce groupe de contextes classiques qui peuvent être compris dans un cadre essentiellement quantique", a déclaré Batygin.
Les nouveaux résultats soulèvent une analogie intéressante entre les deux situations: la façon dont les ondes traversent les disques astrophysiques, rebondissant sur les bords intérieur et extérieur, équivaut à la façon dont une seule particule quantique rebondit entre deux murs, a-t-il déclaré.
Trouver cette équivalence a une conséquence intéressante: Batygin a pu emprunter une partie du travail effectué par des chercheurs qui ont déjà étudié et étudié cette situation quantique de manière approfondie, puis interpréter l'équation dans ce nouveau contexte pour comprendre comment les disques répondent aux tirages externes et perturbations.
"Les physiciens ont beaucoup d'expérience avec l'équation de Schrodinger; cela remonte à 100 ans maintenant", a déclaré à Space.com Greg Laughlin, astrophysicien à l'Université de Yale qui n'était pas impliqué dans l'étude. "Et beaucoup de réflexions très approfondies sont allées dans la compréhension de ses ramifications. Et pour que tout l'édifice puisse maintenant être appliqué à l'évolution des disques."
"Et pour quelqu'un comme moi - qui a certes une meilleure idée, bien qu'imparfaite, de ce que font les disques protostellaires - cela donne également la possibilité d'aller dans l'autre sens et peut-être d'avoir un aperçu plus approfondi des systèmes quantiques en utilisant l'analogie du disque", at-il ajoutée. "Je pense que cela va susciter beaucoup d'attention et d'intérêt, probablement de consternation. Et finalement, je pense que ce sera un développement vraiment intéressant."
Un cadre de compréhension
Batygin a hâte d'appliquer l'équation à la compréhension de nombreuses facettes différentes des disques astrophysiques.
"Ce que j'ai présenté dans ce document est un cadre", a déclaré Batygin. "J'ai attaqué un problème particulier avec celui-ci, qui est le problème de la rigidité du disque - la mesure dans laquelle le disque peut rester rigide gravitationnellement sous des perturbations externes. Il existe un large éventail d'applications supplémentaires que j'examine en ce moment."
Un exemple est l'évolution du disque de débris qui a finalement formé notre système solaire, a déclaré Batygin. Un autre est la dynamique des anneaux autour des planètes extrasolaires. Et un troisième est le disque d'étoiles entourant le trou noir au centre de la Voie lactée, qui est lui-même très courbé.
Laughlin a noté que le travail devrait être particulièrement utile pour améliorer la compréhension des chercheurs sur les systèmes stellaires nouveau-nés, car ils sont plus difficiles à observer de loin, et les chercheurs ne peuvent actuellement pas simuler leur développement du début à la fin.
"Le cadre mathématique que Konstantin a mis en place est un bon exemple de quelque chose qui pourrait vraiment nous aider à comprendre comment les objets qui ont des centaines de milliers d'orbites, comme un disque formant une planète, se comportent", a-t-il déclaré.
Selon Fred Adams, un astrophysicien de l'Université du Michigan qui n'était pas impliqué dans l'étude, ce nouveau travail est très utile pour les systèmes dans lesquels les effets de la gravité à grande échelle s'annulent. Pour les systèmes avec des influences gravitationnelles plus compliquées, comme les galaxies avec des bras en spirale très distincts, une autre stratégie de modélisation sera nécessaire. Mais pour cette classe de problème, c'est une variation intéressante sur l'approximation des ondes dans les disques astrophysiques, a-t-il déclaré.
"La recherche dans n'importe quel domaine, y compris les disques circumstellaires, bénéficie toujours du développement et de l'utilisation de nouveaux outils", a déclaré Adams. "Ce document représente le développement d'un nouvel outil analytique, ou une nouvelle tournure sur des outils plus anciens, selon la façon dont vous le regardez. Quoi qu'il en soit, c'est une autre pièce du plus grand puzzle."
Le cadre permettra aux chercheurs de comprendre les structures que les astronomes voient dans le ciel nocturne d'une nouvelle manière: bien que ces disques évoluent sur des échelles de temps beaucoup plus longues que ce que les humains peuvent observer, l'équation peut être appliquée pour comprendre comment un système est arrivé au point que nous voyons aujourd'hui et comment cela pourrait changer à l'avenir, a déclaré Batygin. Et tout est basé sur des mathématiques qui décrivent généralement des interactions incroyablement rapides et éphémères.
"Il y a cette réciprocité intrigante entre les mathématiques qui régissent le comportement du monde subatomique et les mathématiques qui régissent le comportement [et] l'évolution à long terme de ces choses astronomiques qui se déroulent sur des échelles de temps beaucoup plus longues", a-t-il ajouté. "C'est, je pense, une conséquence remarquable et intrigante."
Le nouveau travail a été détaillé aujourd'hui (5 mars) dans la revue Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.
