פתרון חדש לתעלומה ישנה: מדוע פנים מערכת השמש שלנו לא מסתובב מהר יותר?

מַדָע

המפתח לפתרון תעלומה רבת שנים לגבי דיסקות גז דקות שמסתובבות סביב כוכבים צעירים: התנועה של מספר קטן של חלקיקים טעונים. כך נטען במחקר חדש של קלטק

מסלולי הגופים העיקריים במערכת השמש. באדיבות CALTECH
מסלולי הגופים העיקריים במערכת השמש. באדיבות CALTECH

המפתח לפתרון תעלומה רבת שנים לגבי דיסקות גז דקות שמסתובבות סביב כוכבים צעירים: התנועה של מספר קטן של חלקיקים טעונים. כך נטען במחקר חדש של קלטק.

דיסקות הגז המסתובבות האלה, שנקראות דיסקות ספיחה, מתקיימות עשרות מיליוני שנים והן שלב מוקדם בהתפתחות של מערכות שמש. הן מכילות חלק קטן מהמסה של הכוכב שסביבו הן מסתובבות: דמיינו טבעת כמו של שבתאי בגודל של מערכת השמש. הן נקראות דיסקות ספיחה כי הגז בדיסקות האלה נע לאט במסלול ספירלי פנימה לעבר הכוכב.

אסטרו פיזיקאים הכירו מזמן בכך שכשהתנועה הספירלית הזאת פנימה מתרחשת, היא צריכה לגרום לחלק הפנימי הרדיאלי של הדיסקה להסתובב יותר ויותר מהר, לפי חוק שימור התנע הזוויתי. כדי להבין את הרעיון הבסיסי של שימור התנע הזוויתי, תחשבו על מחליקים על הקרח שמסתחררים: כשהזרועות שלהם מושטות, הם מסתובבים לאט, אבל כשהם מצמידים את הזרועות לגוף הם מסתובבים יותר ויותר מהר.

חוק שימור התנע הזוויתי אומר שהתנע הזוויתי במערכת נשאר קבוע, והתנע הזוויתי פרופורציונלי למהירות כפול הרדיוס. לכן אם המסה של המחליק מתרכזת סביב רדיוס קטן יותר כי הוא הצמיד את הזרועות לגוף, אזי הדרך היחידה לשמור על תנע זוויתי קבוע היא להגדיל את מהירות הסיבוב.

התנועה הספירלית פנימה של דיסקת הספיחה אנלוגית למחליק שמצמיד את הזרועות לגוף, ולכן החלק הפנימי של דיסקת הספיחה צריך להסתובב מהר יותר. תצפיות אסטרונומיות אכן מראות שהחלק הפנימי של דיסקת ספיחה אכן מסתובב מהר יותר, אבל באופן מוזר פחות  מהר מכפי שחוזה חוק שימור התנע הזוויתי.

התנגשויות בין אטומים ניטרליים ומספר קטן בהרבה של חלקיקים טעונים עשויות להסביר מדוע החלק הפנימי של מערכות שמש מסתובב מהר יותר.

מדענים חקרו הרבה הסברים אפשריים מדוע התנע הזוויתי של דיסקת ספיחה לא נשמר במשך השנים. חלק שיערו שחיכוך בין החלקים המסתובבים הפנימיים והחיצוניים של דיסקת הספיחה אולי מאט את האזור הפנימי. אבל חישובים מראים שלדיסקות ספיחה יש מעט מאוד חיכוך פנימי. לפי ההשערה הדומיננטית הנוכחית, שדות מגנטיים גורמים לתופעה שנקראת “אי-יציבות מגנטו-סיבובית” שגורמת להיווצרות עירבוליות (טורבלנטיות) מגנטית וגזית — ולמעשה יוצרת חיכוך שמאט את מהירות סיבוב הגז שנע בספירלה פנימה.

פול בלאן, פרופסור לפיזיקה שימושית בקלטק, התחיל לחקור את הבעיה על ידי ניתוח המסלולים של אטומים, אלקטרונים ויונים פרטניים בגז שמהווה דיסקת ספיחה. מטרתו הייתה לקבוע איך החלקיקים הפרטניים בגז מתנהגים כשהם מתנגשים ביניהם, וגם איך הם נעים בין התנגשויות, כדי לראות האם אפשר להסביר את אובדן התנע הזוויתי בלי להשתמש בעירבוליות. כפי שהסביר, ההתנהגות היסודית של החלקים המרכיבים דיסקות ספיחה – חלקיקים טעונים (אלקטרונים ויונים) מושפעים מכבידה ומשדות מגנטיים, ואילו אטומים ניטרלים מושפעים רק על ידי כבידה. ההבדל הזה, הוא חשד, הוא המפתח.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

Leave a Reply

Your email address will not be published.