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| Imagen: Concepción artística de la formación de sistemas planetarios. Crédito: Shutterstock. |
La materia de un disco de acreción debe perder su momento angular cuando se
desplaza radialmente hacia el interior, pero cómo funciona esto ha sido un
misterio durante mucho tiempo. El gas dentro de los discos gira lentamente en
espiral hacia la estrella.
Esta espiral hacia dentro hace que la parte radialmente interior del disco
gire más rápido, según la ley de conservación del momento angular. La ley de
conservación del momento angular afirma que el momento angular de un sistema
permanece constante. El momento angular es proporcional a la velocidad por el
radio. Por lo tanto, aumentar la velocidad de giro es el único método para
mantener el momento angular si el radio del patinador disminuye debido a la
tracción de sus brazos.
Las observaciones astronómicas muestran que la parte interior de un disco de
acreción sí gira más rápido. Pero, curiosamente, no gira tan rápido como
predice la ley de conservación del momento angular. A lo largo de los años,
los científicos investigaron varias explicaciones posibles de por qué no se
conserva el momento angular del disco de acreción.
Algunos plantearon la hipótesis de que la región interior del disco de
acreción se ralentizaría debido a la fricción entre las partes giratorias
interior y exterior. Sin embargo, los cálculos demuestran que los discos de
acreción tienen un conflicto interno insignificante. Según la hipótesis de la
corriente dominante, los campos magnéticos provocan un fenómeno de
"inestabilidad magnetorotacional" que da lugar a la producción de turbulencias
magnéticas y de gas, con lo que se ralentiza la velocidad de rotación del gas
en espiral hacia el interior.
Paul Bellan, profesor de física aplicada, dijo:
"Eso me preocupó. La gente siempre quiere culpar a la turbulencia de fenómenos que no entiende. Ahora hay una gran industria artesanal que argumenta que la turbulencia explica la eliminación del momento angular en los discos de acreción".
Hace casi 15 años, Bellan empezó a investigar la cuestión analizando las
trayectorias de átomos, electrones e iones individuales en el gas que
constituye un disco de acreción. Quería determinar cómo se comportan las
partículas individuales en el gas tras colisionar entre sí y su movimiento
entre colisiones para ver si la pérdida de momento angular podía explicarse
sin invocar la turbulencia.
Como explicó a lo largo de los años en una serie de artículos -el
comportamiento fundamental de los componentes de los discos de acreción-, las
partículas cargadas (es decir, los electrones y los iones) se ven afectadas
tanto por la gravedad como por los campos magnéticos. En cambio, los átomos
neutros sólo se ven afectados por la gravedad. Esta diferencia era vital.
Yang Zhang, estudiante de posgrado de Caltech, dijo:
"Me acerqué a Paul después de la charla, lo discutimos y finalmente decidimos que las simulaciones podrían extenderse a las partículas cargadas que colisionan con partículas neutras en campos magnéticos y gravitacionales".
Finalmente, Bellan y Zhang crearon un modelo informático de un disco de
acreción virtual giratorio y superfino. El disco simulado contenía unas 40.000
partículas neutras y unas 1.000 cargadas que podían colisionar entre sí, y el
modelo también tenía en cuenta los efectos de la gravedad y de un campo
magnético.
Según Bellan, "este modelo tenía la cantidad justa de detalles para captar
todas las características esenciales, ya que era lo suficientemente grande
como para comportarse como trillones de partículas neutras, electrones e iones
en colisión que orbitan alrededor de una estrella en un campo magnético".
Un análisis cuidadoso de la física subyacente a nivel subatómico revela que el
momento angular no se conserva en el sentido clásico. Sin embargo, sí se
conserva algo llamado "momento angular canónico". El momento angular canónico
es la suma del momento angular ordinario inicial más una cantidad adicional
que depende de la carga de una partícula y del campo magnético.
El momento angular canónico es innecesariamente complicado porque el momento
angular ordinario y el canónico son idénticos para las partículas neutras. Sin
embargo, como la cantidad magnética añadida es tan grande para las partículas
cargadas como los cationes y los electrones, el momento angular canónico
difiere significativamente del momento angular ordinario.
El movimiento hacia el interior de los iones y el movimiento hacia el exterior
de los electrones, provocados por las colisiones, aumentan el momento angular
canónico, ya que los electrones son negativos y los cationes positivos. Las
colisiones entre las partículas neutras y cargadas hacen que las partículas
neutras pierdan momento angular y se desplacen hacia el interior, lo que anula
el aumento de la velocidad angular canónica de las partículas cargadas.
Según Bellan, "se trata de una pequeña distinción, pero supone una enorme
diferencia a escala del sistema solar". Esta sutil contabilidad satisface la
ley de conservación del momento angular canónico para la suma de todas las
partículas del disco entero; sólo una de cada mil millones de partículas tiene
que estar cargada para explicar la pérdida de momento angular observada de las
partículas neutras."
"Además, el movimiento hacia dentro de los cationes y hacia fuera de los
electrones hace que el disco se convierta en algo parecido a una gigantesca
batería con un terminal positivo cerca del centro del disco y un terminal
negativo en el borde del mismo. Esta batería impulsaría corrientes
eléctricas que fluyen fuera del disco tanto por encima como por debajo del
plano del disco. Estas corrientes impulsarían chorros astrofísicos que
saldrían disparados del disco en ambas direcciones a lo largo del eje del
mismo. De hecho, los astrónomos han observado chorros durante más de un
siglo y se sabe que están asociados a los discos de acreción, aunque la
fuerza que hay detrás de ellos ha sido un misterio durante mucho tiempo."
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente:
Caltech