Ученые разгадали загадку аномального вращения аккреционных дисков в протопланетных системах

Ученые Калифорнийского технологического института (Caltech) нашли решение загадки, почему внутренние части дисков в протопланетных системах вращаются с меньшей скоростью, чем предсказывает закон сохранения углового момента.

Согласно исследованию, опубликованному в The Astrophysical Journal, ключевую роль в возникновении аномалии играют заряженные частицы. Это противоречит общепринятому мнению, что на скорость вещества во внутренних областях диска влияет турбулентная неустойчивость.

Протопланетные диски, возникающие вокруг молодых звезд, представляют собой более слабую версию аккреционного диска вокруг черных дыр и нейтронных звезд: они более тонкие, холодные и слабоионизированные. Исследователи создали компьютерную модель такого аккреционного диска, состоящего из 40 тысяч нейтральных и около тысячи заряженных частиц, чтобы объяснить, каким образом происходит перенос углового момента от центра диска к краю.

Закон сохранения углового момента гласит, что при уменьшении момента инерции, которое характеризует распределение масс во вращающемся теле, скорость вращения увеличивается. Угловой момент пропорционален скорости тела, умноженной на радиус, поэтому при постоянной массе тела уменьшение радиуса тела способствует увеличению скорости вращения. В случае с аккреционными дисками должен происходить перенос углового момента из центральной области, которая вращается медленнее, чем предсказывает закон сохранения.

Ученые показали, что классический угловой момент аккреционного диска не сохраняется в отличие от канонического углового момента. Последний представляет собой сумму обычного углового момента и дополнительной величины, зависящей от заряда частицы и магнитного поля. Для нейтральных частиц классический и канонический угловые моменты совпадают, поэтому для диска, состоящего из одних только нейтральных частиц, выполнялся бы обычный закон сохранения углового момента.

Столкновения между нейтральными частицами и гораздо меньшим количеством заряженных частиц заставляют положительно заряженные ионы (катионы) двигаться по спирали к центру диска, а отрицательно заряженные электроны — по спирали к краю. В результате канонический угловой момент обеих групп частиц увеличивается. В то же время нейтральные частицы теряют угловой момент в результате столкновений с заряженными частицами и движутся внутрь, что уравновешивает увеличение канонического углового момента заряженных частиц.

Такое разделение зарядов в аккреционном диске также приводит к тому, что он становится своего рода гигантской батареей с положительным полюсом вблизи центра диска и отрицательным на краю. Это порождает полоидальные

электрические токи, идущие в космос выше и ниже плоскости диска, которые в случае высокоэнергетических дисков могут питать астрофизические струи плазмы, называемые джетами. Реалистичность модели подтверждается тем, что она предсказывает скорость аккреции 3 на 10 в минус 8-й степени массы Солнца в год, что согласуется с наблюдениями.