O analogiach między układem gazowym i gwiezdnym

9

Analogie między (typowymi) idealnymi układami gazowymi i gwiezdnymi są nie tylko intuicyjnie aktualne, ale zostały ustalone i wykorzystane w badaniach gromad gwiazdowych i układów galaktycznych, najczęściej jako uproszczenie bezkolizyjnych równań Boltzmanna.

Idea leżąca u podstaw tej analogii polega na tym, że jeśli układ gwiezdny może być reprezentowany jako zbiór mas punktowych, a jeśli liczba mas punktowych jest duża, możemy je rozważyć z punktu widzenia kinetycznej teorii gazów. Należy jednak pamiętać, że układ gwiezdnego gazu nie jest ani rozluźniony, ani nie może być rozluźniony.

Jestem tu ciekawy: jak daleko można przesunąć opisaną analogię?

Na przykład istnieje szereg zjawisk specyficznych dla gazu (lub moglibyśmy rozmawiać o plazmie, jeśli wolisz), co byłoby fascynujące do wyobrażenia sobie dla układów gwiezdnych, takich jak wstrząsy, turbulencje lub lepkość. Czy takie lub inne charakterystyczne zjawiska mogą istnieć w układach gwiezdnych i czy istnieją rzeczywiste układy wykazujące takie zachowanie? (spośród wymienionych, analog lepkości istnieje i jest dość powszechny)

stellar-dynamics plasma-physics n-body-simulations

— Alexey Bobrick
źródło

I nie rozumiem, dlaczego nie, chociaż oni przypuszczalnie być tylko pozorna w bardzo duże (powiedzmy, galaxy wielkości) systemy, w rzeczywistości może być maskowane przez obecność rzeczywistą gazu w takich systemach. Mimo to nawet bardzo proste oddziałujące układy cząstek, takie jak dyskretne gazy sieciowe , mogą wykazywać turbulencje w dużych skalach, więc dlaczego nie także grawitacyjne układy n-ciał?

— Ilmari Karonen,

@IlmariKaronen: Też tak myślę. W rzeczywistości niektóre gwiezdne gromady można już uznać za wystarczająco duże

N

$N$ . Moje wątpliwości wynikają jednak z kilku kierunków: 1) Układy grawitacyjne nie mogą całkowicie się termalizować, 2) Potencjał interakcji nie jest taki sam, jak w przypadku plazmy obojętnej makroskopowo, 3) Przestrzeń fazowa nie ma granicy, więc obiekty lubią odparować. Wszystko to sprawia, że jest to nieco mniej oczywiste, ponieważ istnieje analogia, ale nie jest kompletna.

— Alexey Bobrick,

1

Jako przykład użytecznego połączenia, tak zwana liczba Toomre'a, która określa próg gęstości, przy którym cienki dysk staje się niestabilny grawitacyjnie w odniesieniu do fal promieniowych, różni się tylko współczynnikiem 3,31 / 3,14 między dyskiem gwiezdnym a gazowym.

— Chris

2

Analogia jest raczej słaba i niezbyt przydatna.

Tak zwane bezkolizyjne układy gwiezdne (takie, w których relaksacja przez spotkania gwiezdne nie ma znaczącego wpływu na całe ich życie), takie jak galaktyki, można opisać bezkolizyjnym równaniem Boltzmana, ale nigdy nie osiadają w równowadze termodynamicznej (tylko w pewnej równowadze dynamicznej lub wirusowej ). Zatem jedynymi innymi systemami o nieco podobnym zachowaniu są plazmy bezkolizyjne.

Na dźwięk, turbulencje, lepkość itp. Wpływają zderzenia bliskiego zasięgu (nie tylko spotkania) między cząsteczkami. Utrzymują one także równowagę termodynamiczną i rozkład prędkości Maxwella-Boltzmanna. Układy gwiezdne nie mają żadnego z tych procesów, a ich prędkości są na ogół rozkładów anizotropowych i nie są zgodne z rozkładem Maxwella.

Gazy są w pewnym sensie prostsze do zrozumienia, ponieważ ich dynamika wynika z lokalnych procesów i ponieważ metody statystyczne są bardzo przydatne. Układy gwiezdne napędzane są grawitacją, tj. Nielokalnymi procesami o dalekim zasięgu, a intuicja fizyki gazów jest często bardzo myląca (na przykład układ grawitacyjny ma ujemną pojemność cieplną - dotyczy to również kul gazowych, takich jak jak gwiazdy).

Należy również pamiętać, że liczba cząstek w gazie jest znacznie większa ( $\sim10^{26}$ ) niż liczba gwiazd w galaktyce ( $\sim10^{11}$ ), chociaż liczba cząstek ciemnej materii może być znacznie wyższa.

— Walter
źródło

1

Istnieje interesujący artykuł Jes Madsena , który odnosi pewne sukcesy w modelowaniu gromad kulistych jako sfer izotermicznych.

— EHN
źródło

1

Tak, prawda, w rzeczywistości aproksymacja izotermiczna gazu była dość szeroko stosowana do modelowania klastrów. Jest to rozsądny sposób na uproszczenie funkcji rozkładu sześciowymiarowego do 3d, a nawet ostatecznie 1d, przy założeniu sferycznej symetrii. Zastanawiam się jednak nad kwestią nieco bardziej fundamentalną. To znaczy, jak aktualna jest analogia między systemami grawitacyjnymi na N-ciele a gazem. Czy układy N-body mogą wykazywać wstrząsy i turbulencje, czy nie? Lub jakie są granice takiej analogii? Jeśli chodzi o modele izotermiczne, nie ma wątpliwości, że istnieją i są wykorzystywane w badaniach praktycznych.

— Alexey Bobrick