Про аналогії між газовою та зоряною системами

9

Аналогії між (типово) ідеальним газом і зоряними системами не лише в деякій мірі є інтуїтивно зрозумілими, але були встановлені і використовуються в дослідженнях зоряних скупчень і галактичних систем, найчастіше як спрощення до беззбиткових рівнянь Больцмана.

Ідея аналогії полягає в тому, що якщо зоряну систему можна представити як сукупність точкових мас, а якщо кількість точкових мас велика, то ми можемо розглядати їх з точки зору кінетичної теорії газів. Тут слід пам’ятати, що зоряна газова система ні розслаблена, ні розслаблена.

Мені тут цікаво: як далеко можна просунути описану аналогію?

Наприклад, існує низка специфічних для газу явищ (або ми можемо говорити про плазму, якщо ви хочете), що було б захоплююче уявити для зоряних систем, таких як удари, турбулентність або в'язкість. Чи можуть існувати такі чи інші характерні явища в зоряних системах і чи існують такі системи, що проявляють таку поведінку? (серед названих, аналог в'язкості існує і є досить поширеним)

stellar-dynamics plasma-physics n-body-simulations

— Олексій Бобрик
джерело

Я не бачу, чому б це не було, хоча, мабуть, вони виявляться лише у дуже великих (скажімо, галактичних) системах, а насправді вони можуть бути замасковані наявністю фактичного газу в таких системах. Тим не менш, навіть дуже прості взаємодіючі системи частинок, як-от дискретні ґратчасті гази , можуть проявляти турбулентність у великих масштабах, то чому б не гравітаційні системи n-тіла також?

— Ільмарі Каронен

@IlmariKaronen: Я б так думав. Насправді деякі зоряні скупчення вже можна розглядати як такі, що досить великий . Мої сумніви виникають, хоча з декількох напрямків: 1) Гравітаційні системи не можуть повністю термізуватися, 2) Потенціал взаємодії не такий, як у макроскопічно нейтральної плазми; 3) Фазовий простір не має межі, тому об'єкти люблять випаровуватися. Все це робить трохи менш очевидним, бо аналогія є, але вона не є повною.

N

$N$

— Олексій Бобрик

1

Як приклад корисного з'єднання, так зване число Toomre, яке визначає поріг щільності, при якому тонкий диск стає гравітаційно нестабільним щодо радіальних хвиль, відрізняється лише на коефіцієнт 3,31 / 3,14 між зоряним диском і газоподібним.

— chris

2

Аналогія досить слабка і не дуже корисна.

Так звані зоряні системи без зіткнень (ті, для яких розслаблення зірчастими зустрічами не відчутно впливає на їхнє життя), такі як галактики, можна описати рівнянням беззбиткового Больцмана, але ніколи не осідають у термодинамічній рівновазі (лише у деяку динамічну чи вірусну рівновагу) ). Таким чином, єдині інші системи з дещо подібною поведінкою - це плазми без зіткнень.

Звук, турбулентність, в'язкість тощо впливають на ближчі колізії (а не просто зустрічі) між молекулами. Вони також підтримують термодинамічну рівновагу та розподіл швидкості Максвелла-Больцмана. Зоряні системи не мають жодного з цих процесів, і їх швидкість в цілому анізотропно розподілена і не слідує за розподілом Максвелла.

Гази в якомусь сенсі простіші для розуміння, оскільки їх динаміка визначається місцевими процесами і тому, що статистичні методи дуже корисні. Зоряні системи приводяться в дію гравітації, тобто не локальних процесів на великій відстані, а інтуїція з фізики газів часто дуже вводить в оману (наприклад, самогравітаційна система має негативну теплоємність - це стосується і газових сфер, наприклад як зірки).

Зауважимо також, що кількість частинок у газі набагато більша ( ), ніж кількість зірок у галактиці ( ), хоча кількість частинок темної речовини може бути значною вище. $\sim10^{26}$ $\sim10^{11}$

— Вальтер
джерело

1

Є цікава стаття Джес Мадсена , яка успішно моделює кульові скупчення як ізотермічні сфери.

— EHN
джерело

1

Так, правда, насправді ізотермічне наближення газу досить широко використовується для моделювання кластерів. І це розумний спосіб спростити шестивимірну функцію розподілу до 3d, або навіть зрештою 1d, припускаючи сферичну симетрію. Мені цікаво, однак, питання дещо принциповіше. Тобто, наскільки справедлива аналогія між гравітаційними системами N-тіла та газом. Чи можуть системи N-тіл демонструвати потрясіння та турбулентність чи ні? Або, які межі такої аналогії? Що стосується ізотермічних моделей, то немає сумнівів, що вони існують і використовуються в практичних дослідженнях.

— Олексій Бобрик