El interior del sistema solar debería girar más rápido

El movimiento de una pequeña cantidad de partículas cargadas puede resolver un antiguo misterio sobre los delgados discos de gas que giran alrededor de estrellas jóvenes.

 

Estas características, llamadas discos de acreción, duran decenas de millones de años y son una fase temprana de la evolución del sistema solar. Contienen una pequeña fracción de la masa de la estrella alrededor de la cual giran; imagina un anillo similar a Saturno tan grande como el sistema solar. Se llaman discos de acreción porque el gas en estos discos gira lentamente en espiral hacia el interior de la estrella.

Los científicos se dieron cuenta hace mucho tiempo de que cuando ocurre esta espiral hacia adentro, debería hacer que la parte radialmente interna del disco gire más rápido, de acuerdo con la ley de conservación del momento angular.

El momento angular es proporcional a la velocidad por el radio, y la ley de conservación del momento angular establece que el momento angular en un sistema permanece constante.

El movimiento en espiral hacia adentro del disco de acreción es similar a un patinador que mete los brazos y, como tal, la parte interna del disco de acreción debería girar más rápido. De hecho, las observaciones astronómicas muestran que la parte interna de un disco de acreción gira más rápido. Curiosamente, sin embargo, no gira tan rápido como predice la ley de conservación del momento angular.

Ahora, los científicos crearon un modelo informático de un disco de acreción virtual súper delgado y giratorio. El disco simulado contenía alrededor de 40 000 partículas neutras y alrededor de 1 000 cargadas que podrían chocar entre sí, y el modelo también tuvo en cuenta los efectos de la gravedad y el campo magnético.

"Este modelo tenía la cantidad justa de detalles para capturar todas las características esenciales", dice Bellan, "porque era lo suficientemente grande como para comportarse como billones y billones de colisiones de partículas neutras, electrones e iones que orbitan una estrella en un campo magnético", señaló Bellan.

La simulación computacional mostró que las colisiones entre átomos neutros y un número mucho menor de partículas cargadas harían que los iones cargados positivamente, o cationes, giraran en espiral hacia el centro del disco, mientras que las partículas cargadas negativamente (electrones) giraran en espiral hacia el borde. Mientras tanto, las partículas neutras pierden momento angular y, como los iones cargados positivamente, giran en espiral hacia el centro.

Un análisis cuidadoso de la física subyacente a nivel subatómico, en particular, la interacción entre partículas cargadas y campos magnéticos, muestra que el momento angular no se conserva en el sentido clásico, aunque sí se conserva algo llamado "momento angular canónico".

Interior del Sistema Solar
Interior del Sistema Solar

El momento angular canónico es la suma del momento angular ordinario original más una cantidad adicional que depende de la carga de una partícula y el campo magnético. Para las partículas neutras, no hay diferencia entre el momento angular ordinario y el momento angular canónico, por lo que preocuparse por el momento angular canónico es innecesariamente complicado.

Pero para las partículas cargadas, cationes y electrones, el momento angular canónico es muy diferente del momento angular ordinario porque la cantidad magnética adicional es muy grande.

Debido a que los electrones son negativos y los cationes son positivos, el movimiento hacia adentro de los iones y el movimiento hacia afuera de los electrones, que son causados ​​por colisiones, aumenta el momento angular canónico de ambos.

Las partículas neutras pierden momento angular como resultado de las colisiones con las partículas cargadas y se mueven hacia adentro, lo que equilibra el aumento del momento angular canónico de las partículas cargadas.

Es una pequeña distinción, pero marca una gran diferencia a escala de todo el sistema solar”, dice Bellan, quien argumenta que esta contabilidad sutil satisface la ley de conservación del momento angular canónico para la suma de todas las partículas en todo el disco; solo se necesita cargar alrededor de una entre mil millones de partículas para explicar la pérdida observada de momento angular de las partículas neutras.

Además, dice Bellan, “el movimiento hacia adentro de los cationes y el movimiento hacia afuera de los electrones hace que el disco se convierta en algo así como una batería gigantesca con una terminal positiva cerca del centro del disco y una terminal negativa en el borde del disco. Tal batería impulsaría las corrientes eléctricas que se alejan del disco tanto por encima como por debajo del plano del disco. Estas corrientes saldrían como chorros astrofísicos disparados del disco en ambas direcciones a lo largo del eje” concluye.

De hecho, los astrónomos han observado chorros durante más de un siglo y se sabe que están asociados con discos de acreción, aunque la fuerza detrás de ellos ha sido durante mucho tiempo un misterio.

Referencias:

Paul M. Bellan. et al. Neutral-charged-particle Collisions as the Mechanism for Accretion Disk Angular Momentum Transport. The Astrophysical Journal. 2022. doi.org/10.3847/1538-4357/ac62d5

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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