今日消息 为什么太阳系内部的旋转速度不快？科学家找到古老之谜的新答案

解开围绕年轻恒星旋转的稀薄气体盘的一个长期之谜的关键是：极少数带电粒子的运动。这是根据加州理工学院(Caltech)的一项新研究。这些旋转的气体盘--被称为吸积盘，持续数千万年，是太阳系进化的早期阶段。

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它们包含了它们所围绕的恒星质量的一小部分，想象一下一个和太阳系一样大的土星环。它们被称为吸积盘，因为这些盘中的气体向恒星缓慢地旋转着。

天体物理学家很久以前就认识到，当这种向内的旋转发生时，根据角动量守恒定律，它应该会导致吸积盘的径向内部部分旋转得越来越快。为了理解角动量守恒的基本思想，这里可以想一想旋转的花样滑冰运动员：当他们的手臂伸出来时，他们旋转得很慢，但当他们把手臂缩进去时，他们旋转得越来越快。

角动量守恒定律指出，一个系统中的角动量保持不变，角动量跟速度乘以半径成正比。因此，如果滑冰运动员的半径减少--因为他们把手臂拉进去了，那么保持角动量不变的唯一方法就是增加旋转速度。

吸积盘向内的螺旋运动类似于滑冰运动员将手臂拉入，因此，吸积盘的内部应该旋转得更快。天文观测确实表明，吸积盘的内部确实旋转得更快。然而奇怪的是，它并没有像角动量守恒定律所预测的那样快速旋转。

科学家们多年来对吸积盘角动量不守恒的原因进行了许多可能的解释。一些人假设，吸积盘内部和外部旋转部分之间的摩擦可能会使内部区域减速。然计算表明，吸积盘的内部摩擦力非常小。根据主导电流假说，磁场会导致一种被称为“磁动不稳定性”的现象，进而导致产生磁湍流和气体--有效地形成摩擦从而使向内旋转的气体的旋转速度变慢。

“这让我担心，”加州理工学院应用物理学教授Paul Bellan说道，“人们总是想把他们不理解的现象归咎于湍流。现在有一个很大的山寨产业，认为湍流是摆脱吸积盘中角动量的原因。”

十几年前，Bellan开始通过分析构成吸积盘的气体中单个原子、电子和离子的轨迹来研究这个问题。他的目标是确定气体中的单个粒子在相互碰撞时是如何表现的及它们在碰撞之间是如何运动的，从而来观察角动量损失是否可以在不引用湍流的情况下得到解释。

正如他多年来在一系列专注于“第一原理”的论文和讲座中所解释的那样--吸积盘组成部分的基本行为--带电粒子（即电子和离子）同时受到重力和磁场的影响，而中性原子只受到重力的影响。他怀疑，这种差异是关键。

Caltech的研究生Yang Zhang参加了其中的一个讲座，在该课程中，他学会了如何在分子相互碰撞时创建模拟以产生普通气体中速度的随机分布。“我在讲座后找到了Paul，我们进行了讨论并最终决定，模拟可能被扩展到带电粒子跟中性粒子在磁场和引力场中的碰撞，”Zhang说道。

最终，Bellan和Zhang创建了一个旋转的、超薄的、虚拟吸积盘的计算机模型。这个模拟盘包含了大约40,000个中性粒子和大约1,000个带电粒子，它们可以相互碰撞，而且该模型还考虑了重力和磁场的影响。Bellan表示：“这个模型有恰到好处的细节来捕捉所有的基本特因为它足够大，表现得就像数万亿的中性粒子、电子和离子在磁场中围绕恒星的碰撞。”

计算机模拟显示，中性原子和数量少得多的带电粒子之间的碰撞将导致带正电的离子或阳离子向盘的中心螺旋式上升，而带负电的粒子（电子）则向外螺旋式上升到边缘。与此同时，中性粒子失去角动量--像带正电的离子一样--向内旋向中心。

对亚原子层面的基础物理学的仔细分析--特别是带电粒子和磁场之间的相互作用--表明角动量在经典意义上是不守恒的，尽管某种被称为“经典角动量”的东西确实守恒。

经典角动量是原来的普通角动量加上一个取决于粒子上的电荷和磁场的额外数量之和。对于中性粒子来说，普通角动量和典范角动量之间没有区别，所以担心典范角动量是不必要的复杂。但对于带电粒子--阳离子和电子--典范角动量跟普通角动量非常不同，因为额外的磁量非常大。

由于电子是负的，阳离子是正的，离子的内向运动和电子的外向运动--由碰撞引起--增加了两者的典范角动量。中性粒子由于跟带电粒子的碰撞而失去角动量并向内运动，这平衡了带电粒子典范角动量的增加。

Bellan指出，这是一个很小的区别，但在整个太阳系范围内却产生了巨大的差异，他认为这种微妙的核算满足了整个圆盘中所有粒子之和的典范角动量守恒定律，只有约十亿分之一的粒子需要带电才能解释观察到的中性粒子角动量的损失。

此外，Bellan指出，阳离子的内向运动和电子的外向运动导致圆盘成为类似于一个巨大的电池，其正极靠近圆盘中心，负极位于圆盘边缘。这样的电池将驱动电流从圆盘的平面上方和下方流走。这些电流将为天体物理喷流提供动力，而这些喷流会从盘中沿盘轴的两个方向射出。事实上，一个多世纪以来，天文学家一直在观察喷流，而且已经知道跟吸积盘有关，但对于它们背后的力量长期以来却一直是个谜。