När galaxkluster och klotformiga stjärnkluster bildas, uppstår ett fenomen som kallas "våldsam avslappning". Efter att ha interagerat intensivt, tusentals eller till och med miljontals kroppar når ett tillstånd av relativ gravitationell jämvikt och en ganska långvarig rumslig fördelning.

En ny studie utvecklad av brasilianska forskare och publicerad i The Astrophysical Journal hävdar att astrofysikernas förståelse av våldsam avslappning är fel och försöker korrigera det.

"Problemet är att Vlasovs ekvation antar konstant entropi i systemet, vilket betyder att det inte finns någon produktion av entropi. Detta motsvarar att säga att situationen är symmetrisk i tiden, eftersom tidens pil bestäms av ökande entropi. Det är uppenbarligen inte i det faktiska fenomenet, "säger Laerte Sodré Júnior, en av författarna till studien, professor, och tidigare chef för University of São Paulo's Institute of Astronomy, Geofysik och atmosfäriska vetenskaper (IAG-USP) i Brasilien.

Enligt Sodré, avslappningsprocessen har alltid analyserats med hjälp av Vlasov -ekvationen, en differentialekvation som föreslogs 1931 av den ryska fysikern Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] för att beskriva de kinetiska processerna som sker i plasma.

Om det var sant, en sådan process - reversibel i tid - skulle kräva en översyn av själva grunden för fysiken. Av denna anledning, den specialiserade litteraturen hänvisar till den som "den grundläggande paradoxen för stjärndynamik."

"Det var klart för oss att något var fel, och vår misstanke bekräftades av studien, "Sa Sodré." Lösningen vi hittade på den påstådda "paradoxen" kan sammanfattas i en kort mening:Vlasov -ekvationen gäller helt enkelt inte i det här fallet. "

Viral jämvikt

Forskarna utnyttjade kraftfulla beräkningsresurser, som att använda ett datorkluster för att bevisa denna intuitiva idé. Som förväntat, simuleringarna visade att entropin ökar, men ett annat resultat var svårt att förstå:Medan entropin ökar i längden, i början av avslappningsprocessen, det svänger, växelvis öka och minska.

"Det kan tyckas motsäga det vi vet om entropi, som förstås vara en kvantitet som alltid ökar. Det ökar verkligen obönhörligt i längden, men inte hela tiden. På grund av den stora omfattningen av gravitationella interaktioner, organ upprättar samband med varandra, och dessa korrelationer bestämmer entropins oscillerande karaktär i processens inledande skede, "Sa Sodré.

"Vi kan tänka på frågan så här. Entropi har två aspekter. Den ena är rent kaotisk, associerad med termodynamikens andra lag - detta är konventionell entropi. Den andra härrör från dessa samband, som försvinner med tiden, om än långsamt. Det är detta som bestämmer dess oscillerande beteende. "

Det kan vara lättare att förstå problemet genom att föreställa sig ett kluster av 1, 000 stjärnor eller 1, 000 galaxer begränsade till en viss volym. De har initialt nollhastighet, men på grund av gravitationell interaktion, var och en börjar locka alla andra, och de inledande distributionsförändringarna, växelvis kontrakterar och expanderar.

Detta fram och tillbaka som bestäms av långdistansinteraktioner är associerat med svängningar av entropi. Det varar tills hela systemet når ett tillstånd av relativ jämvikt, där den förblir något stabil när det gäller dess allmänna egenskaper. På 1800-talet, detta tillstånd fick namnet "viral jämvikt, "en term som fortfarande används.

"Det är en specifik egenskap hos gravitationella interaktioner. Elektromagnetiska interaktioner är också långsiktiga, men eftersom materia i allmänhet är elektrisk neutralt, deras effekter är begränsade till en begränsad volym. Skärmningseffekten uppstår inte med gravitationskraft. I princip, det kan sträcka sig till oändligheten. Det är detta som skapar dessa samband, "Sa Sodré.

Även om galaxkluster och stjärnkluster samverkar med hela universum, de kan ses här som stängda, "icke-avledande" system, vilket betyder att deras totala energi inte går förlorad för det yttre mediet, men bevarade.

Vissa kroppar förvärvar stora mängder rörelseenergi och accelererar bortom rymningshastighet, lossnar från systemet, men detta är inte särskilt viktigt, övergripande. Entropioscillation bör i allmänhet betraktas som en intern process, som inte innebär ett utbyte av energi med mediet.

"Inga andra typer av system visar entropi -svängningar som jag känner till, bar ett:kemiska reaktioner där den producerade föreningen fungerar som en katalysator för den inversa reaktionen. Som ett resultat, reaktionen växlar fram och tillbaka, och entropi i systemet oscillerar, "Sa Sodré.

Den nya studien löser den "grundläggande paradoxen för stjärndynamik, "och beskriver bildandet av kosmiska makrostrukturer mer realistiskt. De andra forskarna som 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. Ändå, 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."