Su analogie tra gas e sistemi stellari

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Le analogie tra i gas (tipicamente) ideali e i sistemi stellari non sono solo intuitivamente validi in una certa misura, ma sono state stabilite e utilizzate negli studi su cluster stellari e sistemi galattici, molto spesso come semplificazione delle equazioni di Boltzmann senza collisioni.

L'idea alla base dell'analogia è che se un sistema stellare può essere rappresentato come un insieme di masse di punti e se il numero di masse di punti è grande, allora possiamo considerarli dal punto di vista della teoria cinetica dei gas. Una cosa da ricordare qui, tuttavia, è che il sistema di gas stellare non è né rilassato, né può essere rilassato.

Sono curioso qui: fino a che punto può essere spinta l'analogia descritta?

Ad esempio, esiste una serie di fenomeni specifici del gas (o potremmo parlare del plasma, se preferisci), che sarebbe affascinante immaginare sistemi stellari come shock, turbolenza o viscosità. Possono esistere tali o altri fenomeni caratteristici nei sistemi stellari e ci sono sistemi reali che mostrano un tale comportamento? (dei nomi citati esiste un analogo della viscosità ed è piuttosto comune)

stellar-dynamics plasma-physics n-body-simulations

— Alexey Bobrick
fonte

Non vedo perché no, anche se presumibilmente sarebbero evidenti solo in sistemi molto grandi (diciamo, di dimensioni galattiche), e in realtà potrebbero essere mascherati dalla presenza di gas reale in tali sistemi. Tuttavia, anche i sistemi di particelle interagenti molto semplici, come i gas reticolari discreti , possono esibire turbolenze su larga scala, quindi perché non utilizzare anche i sistemi a n-corpi gravitazionali?

— Ilmari Karonen,

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Come esempio di utile collegamento, il cosiddetto numero di Toomre che definisce la soglia di densità alla quale un disco sottile diventa instabile gravitazionalmente rispetto alle onde radiali differisce solo di un fattore 3,31 / 3,14 tra un disco stellare e uno gassoso.

— chris,

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L'analogia è piuttosto debole e non molto utile.

I cosiddetti sistemi stellari senza collisione (quelli per i quali il rilassamento per incontri stellari non ha alcun effetto apprezzabile sulla loro vita), come le galassie, possono essere descritti dall'equazione di Boltzman senza collisioni, ma non accontentarsi mai di un equilibrio termodinamico (solo in un equilibrio dinamico o viriale ). Pertanto, gli unici altri sistemi con comportamenti in qualche modo simili sono i plasmi senza collisione.

Il suono, la turbolenza, la viscosità ecc. Sono tutti influenzati da collisioni ravvicinate (non semplici incontri) tra le molecole. Questi mantengono anche un equilibrio termodinamico e una distribuzione della velocità di Maxwell-Boltzmann. I sistemi stellari non hanno nessuno di questi processi e le loro velocità sono generalmente distribuite anisotropicamente e non seguono una distribuzione Maxwell.

I gas sono in un certo senso più semplici da capire, perché la loro dinamica è guidata dai processi locali e perché i metodi statistici sono molto utili. I sistemi stellari sono guidati dalla gravità, cioè da processi non locali a lungo raggio, e l'intuizione dalla fisica dei gas è spesso molto fuorviante (ad esempio, un sistema auto-gravitante ha una capacità di calore negativa - questo vale anche per le sfere di gas, come come stelle).

$\sim10^{26}$ $\sim10^{11}$

— Walter
fonte

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C'è un articolo interessante di Jes Madsen , che ha avuto successo modellando i cluster globulari come sfere isotermiche.

— EHN
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Sì, è vero, in effetti l'approssimazione del gas isotermico è stata ampiamente utilizzata per modellare i cluster. Ed è un modo ragionevole per semplificare la funzione di distribuzione a sei dimensioni in 3d, o addirittura 1d, assumendo una simmetria sferica. Mi chiedo, tuttavia, una domanda un po 'più fondamentale. Cioè, quanto è valida l'analogia tra i sistemi gravitanti a corpo N e il gas. I sistemi N-body possono mostrare shock e turbolenze o no? Oppure, quali sono i limiti di tale analogia? Per quanto riguarda i modelli isotermici, non vi è dubbio che esistano e siano utilizzati nella ricerca pratica.

— Alexey Bobrick,