Model af galakse- og stjerneklynge dannelse korrigeret

Når galaksehobe og kuglestjerneklynger dannes, et fænomen kaldet "voldelig afslapning" opstår. Efter at have interageret intenst, tusinder eller endda millioner af kroppe når en tilstand af relativ gravitationsligevægt og en temmelig langvarig rumlig fordeling.

En ny undersøgelse udviklet af brasilianske forskere og offentliggjort i The Astrophysical Journal hævder, at astrofysikeres forståelse af voldelig afslapning er forkert og forsøger at rette op på det.

"Problemet er, at Vlasovs ligning antager konstant entropi i systemet, hvilket betyder, at der ikke er nogen produktion af entropi. Dette svarer til at sige, at situationen er symmetrisk i tide, da tidens pil bestemmes af stigende entropi. Det er åbenbart ikke i det faktiske fænomen, "siger Laerte Sodré Júnior, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, fuld professor, og tidligere direktør for University of São Paulo's Institute of Astronomy, Geofysik og atmosfærisk videnskab (IAG-USP) i Brasilien.

Ifølge Sodré, afslapningsprocessen er altid blevet analyseret ved hjælp af Vlasov -ligningen, en differentialligning foreslået i 1931 af den russiske fysiker Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] for at beskrive de kinetiske processer, der finder sted i plasma.

Hvis det var sandt, en sådan proces - reversibel i tid - ville kræve en revision af selve grundlaget for fysikken. Af denne grund, den specialiserede litteratur omtaler den som "stjernernes dynamiske fundamentale paradoks."

”Det var klart for os, at der var noget galt, og vores mistanke blev bekræftet af undersøgelsen, "Sodré sagde." Den løsning, vi fandt på det påståede 'paradoks', kan opsummeres i en kort sætning:Vlasov -ligningen gælder simpelthen ikke for denne sag. "

Viral ligevægt

Forskerne udnyttede kraftfulde beregningsressourcer, såsom at anvende en computerklynge som et middel til at bevise denne intuitive idé. Som forventet, simuleringerne viste, at entropi stiger, men et andet resultat var svært at forstå:Mens entropi stiger på sigt, i begyndelsen af ​​afslapningsprocessen, det svinger, skiftevis stigende og faldende.

"Det kan synes at modsige det, vi ved om entropi, som forstås at være en mængde, der altid stiger. Det stiger bestemt ubønhørligt i det lange løb, men ikke hele tiden. På grund af det store omfang af gravitationsinteraktioner, organer etablerer sammenhænge med hinanden, og disse korrelationer bestemmer entropiens oscillerende karakter i procesens indledende fase, "Sagde Sodré.

"Vi kan tænke over spørgsmålet sådan. Entropi har to aspekter. Det ene er rent kaotisk, forbundet med termodynamikkens anden lov - dette er konventionel entropi. Den anden stammer fra disse sammenhænge, som forsvinder med tiden, om end langsomt. Det er det, der bestemmer dets oscillerende adfærd. "

Det kan være lettere at forstå problemet ved at forestille sig en klynge på 1, 000 stjerner eller 1, 000 galakser begrænset til et bestemt volumen. De har i første omgang nul hastighed, men på grund af tyngdekraftsinteraktion, hver enkelt begynder at tiltrække alle de andre, og de indledende fordelingsændringer, skiftevis kontraherer og udvider.

Dette frem og tilbage bestemt af langdistanceinteraktioner er forbundet med svingninger af entropi. Det varer, indtil hele systemet når en tilstand af relativ ligevægt, hvor den forbliver noget stabil med hensyn til dens generelle egenskaber. I det 19. århundrede, denne tilstand fik navnet "viral ligevægt, "et udtryk, der stadig er i brug.

"Det er et specifikt træk ved gravitationsinteraktioner. Elektromagnetiske interaktioner er også langtrækkende, men fordi materie generelt er elektrisk neutralt, deres virkninger er begrænset til et begrænset volumen. Afskærmningseffekten forekommer ikke med tyngdekraften. I princippet, det kan strække sig til det uendelige. Det er det, der skaber disse sammenhænge, "Sagde Sodré.

Selvom galaksehobe og kugleformede stjerneklynger interagerer med hele universet, de kan betragtes som lukkede her, "ikke-afledende" systemer, hvilket betyder, at deres samlede energi ikke går tabt for det eksterne medium, men bevaret.

Nogle kroppe erhverver store mængder kinetisk energi og accelererer ud over flugthastighed, løsrive sig fra systemet, men dette er ikke særlig vigtigt, samlet set. Entropi -oscillation bør generelt betragtes som en intern proces, hvilket ikke indebærer en udveksling af energi med mediet.

"Ingen andre typer systemer viser entropi -svingninger, som jeg kender til, bar et:kemiske reaktioner, hvor den fremstillede forbindelse tjener som katalysator for den inverse reaktion. Som resultat, reaktionen skifter frem og tilbage, og entropi i systemet svinger, "Sagde Sodré.

Den nye undersøgelse løser det "fundamentale paradoks for stjernedynamik, "og beskriver dannelsen af ​​kosmiske makrostrukturer mere realistisk. De andre forskere, der deltog, var Leandro José Beraldo e Silva, Walter de Siqueira Pedra, Eder Leonardo Duarte Perico and Marcos Vinicius Borges Teixeira Lima.

Methodology

The gravitational interaction between these celestial bodies—galaxies or stars—is well described by Newton's law of universal gravitation, published 330 years ago. The problem is mathematically easy to solve for a two-body system, but the analytical solution becomes unworkable in systems involving thousands or millions of bodies, each of which interacts gravitationally with the rest. Hence the need to resort to complex numerical simulations.

"We used numerical techniques developed by Norwegian astronomer Sverre Aarseth, the leading expert on this kind of simulation involving many bodies, " Sodré said. "These simulations require so much computer power that we had to use clusters of GPUs, which was far more efficient than the more usually deployed CPUs. Ikke desto mindre, each simulation took several days."

During the project, the Brazilian researchers were actually visited by Aarseth, who remains highly active at age 83. In addition to being a leading astronomer, the prizewinning Norwegian scientist is a keen trekker, mountaineer and nature lover, and he is ranked as an International Correspondence Chess Master.

"Aarseth's computer programs enabled us to solve the problem efficiently and reliably, " Sodré said. "We then tested the results by comparing them with the solutions obtained using other cosmological programs. They matched."