Về sự tương tự giữa các hệ thống khí và sao

9

Sự tương tự giữa các hệ thống khí và sao lý tưởng (điển hình) không chỉ có giá trị bằng trực giác ở một mức độ nào đó, mà còn được thiết lập và sử dụng trong các nghiên cứu về các cụm sao và hệ thống thiên hà, thường là đơn giản hóa các phương trình Boltzmann không va chạm.

Ý tưởng đằng sau sự tương tự là nếu một hệ sao có thể được biểu diễn dưới dạng một tập hợp khối lượng điểm và nếu số lượng khối lượng điểm lớn, thì chúng ta có thể xem xét chúng theo quan điểm của lý thuyết động học về chất khí. Tuy nhiên, một điều cần nhớ ở đây là hệ thống khí sao không thư giãn, cũng không thể thư giãn.

Tôi tò mò ở đây: sự tương tự được mô tả có thể được đẩy bao xa?

Ví dụ, có một loạt các hiện tượng đặc trưng cho khí (hoặc chúng ta có thể nói về plasma, nếu bạn có thể thích), sẽ rất hấp dẫn khi tưởng tượng về các hệ thống sao, như chấn động, nhiễu loạn hoặc độ nhớt. Có thể như vậy, hoặc một số hiện tượng đặc trưng khác tồn tại trong các hệ sao và có hệ thống thực tế nào thể hiện một hành vi như vậy không? (trong số những cái được đặt tên, tương tự độ nhớt tồn tại và khá phổ biến)

stellar-dynamics plasma-physics n-body-simulations

— Alexey Bobrick
nguồn

Tôi không hiểu tại sao không, mặc dù chúng có lẽ chỉ rõ ràng trong các hệ thống rất lớn (có kích thước như thiên hà), và trong thực tế, chúng có thể bị che dấu bởi sự hiện diện của khí thực trong các hệ thống như vậy. Tuy nhiên, ngay cả các hệ thống hạt tương tác rất đơn giản, như các khí mạng rời rạc , có thể biểu hiện nhiễu loạn trên quy mô lớn, vậy tại sao các hệ thống cơ thể n không hấp dẫn cũng vậy?

— Ilmari Karonen

@IlmariKaronen: Tôi cũng sẽ nghĩ như vậy. Trong thực tế, một số cụm sao có thể được coi là có đủ lớn . Nghi ngờ của tôi xuất hiện mặc dù từ một số hướng: 1) Hệ thống hấp dẫn không thể làm nóng hoàn toàn, 2) Tiềm năng tương tác không giống như đối với plasma trung tính vĩ mô, 3) Không gian pha không có ranh giới, vì vậy các đối tượng muốn bốc hơi. Tất cả điều này làm cho nó ít rõ ràng hơn, vì sự tương tự là có, nhưng nó không hoàn thành.

N

$N$

— Alexey Bobrick

1

Như một ví dụ về kết nối hữu ích, cái gọi là số Toomre xác định ngưỡng mật độ mà tại đó một đĩa mỏng trở nên không ổn định về mặt trọng lực đối với sóng xuyên tâm chỉ khác nhau bởi một yếu tố 3,31 / 3,14 giữa một đĩa sao và một khí.

— chris

2

Sự tương tự là khá yếu và không thực sự hữu ích.

Cái gọi là hệ sao không va chạm (những hệ thống thư giãn bằng các cuộc gặp gỡ sao không có tác dụng đáng kể trong suốt cuộc đời của chúng), chẳng hạn như các thiên hà, có thể được mô tả bằng phương trình Boltzman không va chạm, nhưng không bao giờ ổn định ở trạng thái cân bằng nhiệt động (chỉ trong một số trạng thái cân bằng động lực học) ). Do đó, chỉ có các hệ thống khác có hành vi hơi giống nhau là các plasma không va chạm.

Âm thanh, nhiễu loạn, độ nhớt, v.v ... đều bị ảnh hưởng bởi các va chạm ở cự ly gần (không chỉ là các cuộc chạm trán) giữa các phân tử. Chúng cũng duy trì trạng thái cân bằng nhiệt động lực học và phân phối vận tốc Maxwell - Boltzmann. Các hệ thống sao không có quá trình nào trong số các quá trình này và vận tốc của chúng nói chung được phân phối bất đẳng hướng và không tuân theo phân phối Maxwell.

Khí theo nghĩa nào đó đơn giản hơn để hiểu, bởi vì động lực học của chúng được điều khiển bởi các quy trình địa phương và bởi vì các phương pháp thống kê rất hữu ích. Các hệ sao được điều khiển bởi trọng lực, tức là các quá trình phi cục bộ tầm xa và trực giác từ vật lý của khí thường rất sai lệch (ví dụ, hệ thống tự hấp dẫn có khả năng nhiệt âm - điều này cũng áp dụng cho các quả cầu khí, như vậy như sao).

Cũng lưu ý rằng số lượng hạt trong khí lớn hơn nhiều ( ) so với số sao trong thiên hà ( ), mặc dù số lượng hạt vật chất tối có thể nhiều cao hơn $\sim10^{26}$ $\sim10^{11}$

— Walter
nguồn

1

Có một bài báo thú vị của Jes Madsen , trong đó có một số mô hình thành công các cụm cầu như các quả cầu đẳng nhiệt.

— EHN
nguồn

1

Đúng, đúng, trên thực tế, xấp xỉ khí đẳng nhiệt đã được sử dụng khá rộng rãi để mô hình hóa các cụm. Và đó là một cách hợp lý để đơn giản hóa hàm phân phối sáu chiều thành 3d, hoặc thậm chí là 1d, giả sử đối xứng hình cầu. Tôi tự hỏi, tuy nhiên, về một câu hỏi cơ bản hơn một chút. Đó là, sự tương tự như thế nào là hợp lệ giữa các hệ thống hấp dẫn cơ thể N và khí. Hệ thống N-body có thể biểu hiện các cú sốc và nhiễu loạn hay không? Hoặc, các giới hạn của một tương tự như vậy là gì? Đối với các mô hình đẳng nhiệt, không có nghi ngờ rằng chúng tồn tại và được sử dụng trong nghiên cứu thực tế.

— Alexey Bobrick