Astrofysische schijven kunnen beschreven worden met schrödingervergelijking

De schrödingervergelijking vormt de basis voor de natuurkunde van het allerkleinste: de quantummechanica. Nu blijkt deze vergelijking ook astronomische structuren te beschrijven. Dit ontdekte de van oorsprong Russische onderzoeker Konstantin Batygin op een avond voor hij college zou geven over planetaire schijven.

schrodingerBeschrijftAstrofysica
Kunstenaarsimpressie van de ontdekking van Konstantin Batygin dat astrofysische schijven bescheven kunnen worden door de schrödingervergelijking, de basis van de quantummechanica. Bron: James Tuttle Keane, California Institute of Technology

De quantummechanica bestaat uit een verzameling vergelijkingen die de microscopische wereld van de kleine deeltjes, zoals atomen en elektronen, beschrijft. De schrödingervergelijking is de basisformule van de quantummechanica. Met deze vergelijking kan het gedrag van super kleine deeltjes berekend worden. Niet echt de formule die je verwacht als je naar sterren en planeten kijkt.

Astrofysische structuren

Toch blijkt de vergelijking ook te werken voor bepaalde astrofysische structuren. ‘Het beschrijft schijven die om objecten heen draaien die veel zwaarder zijn dan de schijf zelf. Zoals schijven van stenen, ijs en ander ruimtepuin die om jonge sterren of planeten heen draaien en accretieschijven van gas en stof dat om rondom zwarte gaten draait voor het er in valt’, vertelt Batygin, die planeetkunde doceert aan het California Institute of Technology in de Verenigde Staten.

Deze astrofysische schijven behouden niet hun hele leven een egale, ronde vorm. Af en toe ontstaan er schommelingen of verstoringen die als een rimpel door de schijf heen trekken. Dit is verglijkbaar met de rimpels die ontstaan als je een steen in een vijver gooit. Om dit gedrag te beschrijven, moet de beweging van elk brokstuk in de schijf de berekend worden. Dat is een hels karwei waarvoor de nodige computerkracht niet beschikbaar is.

Lesvoorbereiding

De inspiratie om deze complexe berekening te benaderen met de schrödingervergelijking, kwam voor Batygin tijdens het voorbereiden van een les over planetaire fysica. ‘Toen ik mij op een avond over de lesstof boog, besloot ik te proberen of ik het gedrag van de schijf kon beschrijven door het rondcirkelende puin te beschrijven als draden die in een ring om een massa bewegen’, vertelt hij. Vervolgens probeerde hij deze benadering steeds nauwkeuriger te maken door de schijf op papier te vertegenwoordigen met steeds meer en steeds dunnere draden. ‘Toen ik het aantal draden naar oneindig liet gaan, zag ik dat mijn formules veranderden in de schrödingervergelijking.’

LEESTIP: Zwarte gaten – gevangen in ruimte en tijd
van fysicus Marcel Vonk.
Bestel in onze webshop

Deze schrödingervergelijking voor astrofysische schijven is gelijk aan die voor een quantumdeeltje dat opgesloten zit in een ruimte met ondoordringbare wanden. ‘De wiskunde is hetzelfde, maar de interpretatie is anders’, zegt Batygin.

Kruisbestuiving

‘Het is interessant en origineel onderzoek’, zegt Simon Portegies Zwart, hoogleraar numerieke sterdynamica aan de Universiteit Leiden. ‘Ik ben voorstander van zulke kruisbestuivingen tussen vakgebieden. Maar de toepasbaarheid is beperkt. Het is een theoretische benadering die zich beperkt tot dunne schijven voordat er planeten of andere grote structuren in vormen, maar nadat het gas eruit verdwenen is. Toch voegt de benadering zeker iets toe aan de manier waarop er naar zulke schijven gekeken wordt.’

Het is niet de eerste keer dat de schrödingervergelijking een uitstapje maakt buiten de quantummechanica. Zo werd de formule eerder al gebruikt om bepaalde golven in de oceaan te beschrijven.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie