内太阳系比它应该远更慢自旋。现在科学家们可能知道为什么。

By Samantha Mathewson 

2022/7/22

Science & Astronomy

太阳系，不按比例。 (Image credit: NASA)

内太阳系比现代物理定律预测的远更慢的自旋，一项新的研究可能帮助解释为什么。

一个气体和尘埃的薄圆盘------被称为一个吸积盘------围绕年轻的恒星螺旋。这些行星形成的圆盘包含恒星形成只是恒星质量的一小部分的剩下物质。按照角动量守恒定律，随缓慢向内朝向恒星螺旋圆盘的内部应该更快自旋，类似于花样滑冰运动员当他们带他们的更靠近他们的身体臂时更快自旋一样。

然而，先前的观测已经表明内太阳系------太阳系从太阳延伸到小行星带并包括类地行星的区域------并不像角动量守恒定律预测的那样快的自旋。加州理工学院（Caltech）的科学家用一个虚拟吸积盘的新仿真已经证明了吸积盘中的粒子怎样相互作用。

加州理工学院的研究人员在一份声明中写道，“角动量与速度乘以半径成正比，角动量守恒定律表明一个系统中的角动量是恒定的，因此，如果滑冰者的半径因为他们已经拉回了他们的手臂减小，那么来保持角动量恒定的唯一方法就是增加自旋速度”。

如此为什么内吸积盘的角动量不被守恒呢？按照该声明，早期的研究提出了吸积盘区域之间的摩擦或产生湍流（并创造摩擦）的磁场可能会减慢下落气体的旋转速度。

加州理工学院应用物理学教授、该研究的合著者保罗·贝兰（Paul Bellan）在声明中说，“这让我关注了，人们总是要为他们不理解的现象责备湍流。现在有一个大的家业争论湍流说明吸积盘中的角动量的摆脱”。

为了更好地理解角动量损失，贝兰研究了吸积盘中单个原子、离子和气体的轨迹，进而粒子怎样在碰撞期间和之后行为。虽然带电粒子------电子和离子------都受到引力和磁场的影响，但中性原子仅受引力影响。

研究人员使用计算机模型来仿真了一个由1000个带电粒子组成的吸积盘，在磁场和引力场中有40000个中性粒子相撞。他们发现了中性原子和一个数量少得多的带电粒子之间的相互作用造成带正电的离子或阳离子向内螺旋和带负电的粒子或电子朝向吸积盘的边缘移动。同时，中性粒子失去角动量并向内螺旋到中心。

反过来，吸积盘起一个巨大的电池作用，在盘中心附近有一个正端，在盘边缘有一个负端。这些端子产生强大的电流或物质的射流，从圆盘的两侧射入空间。

贝兰在声明中说，“这个模型有过恰到好处的来捕获所有基本特征细节的量，因为它足够大表现得就像数万亿个碰撞的中性粒子、电子和离子在一个磁场中环绕恒星一样”。

按照该声明，计算机模拟提出虽然角动量丢失，但规范角动量------原始普通角动量的总和加上一个取决于粒子电荷和磁场的附加量------是守恒的。

研究人员在声明中解释说，“因为电子是负的，阳离子是正的，由碰撞引起的阳离子的向内运动和电子的向外运动增加两者的规范角动量，中性粒子因为一个与带电粒子的碰撞失去角动量并向内移动，这平衡了带电粒子规范角动量的增加”。

他们的研究结果于5月17日发表在天体物理学期刊 The Astrophysical Journal上