En matematiker från Leicester har utvecklat en teori för att förklara 'värme genom kylning', där temperaturen på en granulär gas ökar medan den totala energin sjunker - ett märkligt fenomen som kan observeras både på jorden och i rymden.

Granulära gaser är ett av få exempel där detta vetenskapliga mysterium kan observeras. Dessa system är mycket spridda i naturen i form av aerosoler och rök på jorden, eller i form av interstellärt damm, planetringar och proto-planetiska skivor i rymden.

Den fantastiska uppvärmningseffekten motsvarar, rent fysiskt, till en negativ värmekapacitet. Aggregering av granulära gaser är det andra objektet i världen, efter gravitationssystem, vilket manifesterar denna häpnadsväckande egenskap.

"Från gymnasiet lär vi oss att temperatur betyder energi - ju högre temperatur, desto större energi. Om ett system tappar energi, temperaturen sjunker, "säger professor Nikolai Brilliantov från University of Leicesters institution för matematik, som ledde forskningen. "Förvånande, Detta gäller inte alltid för granulära gaser. "

Den internationella gruppen av forskare har gett en viktig ledtråd om hur granulära gaser fungerar och visar denna mystiska kvalitet i en artikel publicerad i tidskriften, Naturkommunikation , där de har byggt en solid matematisk grund för fenomenet.

De har tagit fram ett nytt matematiskt verktyg - generaliserade Smoluchowski -ekvationer. Medan klassiska Smoluchowski -ekvationer, som har varit kända i mer än ett sekel, behandla endast utvecklingen av agglomeratkoncentrationen, de nya ekvationerna beskriver också utvecklingen av agglomeratens temperatur.

Den direkta mikroskopiska modelleringen av systemet, genom omfattande datasimuleringar, har bekräftat förekomsten av denna överraskande regim och andra förutsägelser om teorin.

Det har också visats att, trots sin särart, "uppvärmning genom kylning" kan observeras för många system vid naturliga förhållanden. Dock, mellanpartikelkrafterna måste uppfylla en viktig förutsättning-attraktionsstyrkan bör öka med agglomeratens storlek.

"Att förstå olika regimer för utvecklingen av aggregerande granulära gaser är viktigt för att förstå många naturfenomen där dessa system är inblandade, "tillägger professor Brilliantov.