Wanneer melkwegclusters en bolvormige sterclusters worden gevormd, er treedt een fenomeen op dat "gewelddadige ontspanning" wordt genoemd. Na intensieve interactie, de duizenden of zelfs miljoenen lichamen bereiken een toestand van relatief zwaartekrachtsevenwicht en een tamelijk langdurige ruimtelijke verdeling.

Een nieuwe studie ontwikkeld door Braziliaanse onderzoekers en gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift stelt dat het begrip door astrofysici van gewelddadige ontspanning verkeerd is en probeert dit te corrigeren.

"Het probleem is dat de vergelijking van Vlasov uitgaat van constante entropie in het systeem, wat betekent dat er geen productie van entropie is. Dit komt overeen met zeggen dat de situatie symmetrisch is in de tijd, omdat de pijl van de tijd wordt bepaald door toenemende entropie. Het zit duidelijk niet in het eigenlijke fenomeen, " zegt Laerte Sodré Júnior, een van de auteurs van het onderzoek, hoogleraar, en ex-directeur van het Instituut voor Astronomie van de Universiteit van São Paulo, Geofysica &Atmosferische Wetenschappen (IAG-USP) in Brazilië.

Volgens Sodre, het relaxatieproces is altijd geanalyseerd met behulp van de Vlasov-vergelijking, een differentiaalvergelijking voorgesteld in 1931 door de Russische natuurkundige Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] om de kinetische processen te beschrijven die plaatsvinden in plasma.

Als het waar zou zijn, een dergelijk proces - omkeerbaar in de tijd - zou een herziening van de fundamenten van de fysica vereisen. Om deze reden, de gespecialiseerde literatuur noemt het 'de fundamentele paradox van stellaire dynamiek'.

"Het was ons duidelijk dat er iets mis was, en ons vermoeden werd bevestigd door de studie, "Zei Sodré. "De oplossing die we hebben gevonden voor de vermeende 'paradox' kan in één korte zin worden samengevat:de Vlasov-vergelijking is gewoon niet van toepassing op dit geval."

Viriaal evenwicht

De onderzoekers maakten gebruik van krachtige computerbronnen, zoals het gebruik van een computercluster om dit intuïtieve idee te bewijzen. Zoals verwacht, de simulaties toonden aan dat entropie toeneemt, maar een andere uitkomst was moeilijk te begrijpen:terwijl de entropie op de lange termijn toeneemt, aan het begin van het ontspanningsproces, het fluctueert, afwisselend stijgend en dalend.

"Het lijkt misschien in tegenspraak met wat we weten over entropie, wat wordt opgevat als een hoeveelheid die altijd toeneemt. Het neemt zeker onverbiddelijk toe op de lange termijn, maar niet de hele tijd. Vanwege de grote omvang van zwaartekrachtinteracties, instanties leggen verbanden met elkaar, en deze correlaties bepalen de oscillerende aard van entropie in de beginfase van het proces, ' zei Sodré.

"We kunnen zo over de vraag nadenken. Entropie heeft twee aspecten. De ene is puur chaotisch, geassocieerd met de tweede wet van de thermodynamica - dit is conventionele entropie. De andere vloeit voort uit deze correlaties, die na verloop van tijd vervagen, zij het langzaam. Dit is wat het oscillerende gedrag bepaalt."

Het is misschien gemakkelijker om het probleem te begrijpen door een cluster van 1 voor te stellen. 000 sterren of 1, 000 sterrenstelsels opgesloten in een bepaald volume. Ze hebben aanvankelijk een snelheid van nul, maar als gevolg van zwaartekrachtinteractie, elk begint alle anderen aan te trekken, en de initiële distributie verandert, afwisselend samentrekken en uitzetten.

Dit heen en weer, bepaald door langeafstandsinteracties, wordt geassocieerd met oscillaties van entropie. Het duurt totdat het hele systeem een ​​toestand van relatief evenwicht bereikt, waarin het enigszins stabiel blijft in termen van zijn algemene eigenschappen. In de 19de eeuw, deze toestand kreeg de naam "viriaal evenwicht, " een term die nog steeds in gebruik is.

"Het is een specifiek kenmerk van zwaartekrachtinteracties. Elektromagnetische interacties zijn ook over lange afstanden, maar omdat materie in het algemeen elektrisch neutraal is, hun effecten zijn beperkt tot een beperkt volume. Het afschermende effect treedt niet op bij zwaartekracht. In principe, het kan zich uitstrekken tot in het oneindige. Dit is wat die correlaties creëert, ' zei Sodré.

Hoewel clusters van sterrenstelsels en bolvormige sterrenhopen interactie hebben met het hele universum, ze kunnen hier als gesloten worden beschouwd, "niet-dissipatieve" systemen, wat betekent dat hun totale energie niet verloren gaat aan het externe medium, maar behouden.

Sommige lichamen verwerven grote hoeveelheden kinetische energie en versnellen voorbij de ontsnappingssnelheid, losraken van het systeem, maar dit is niet bijzonder belangrijk, algemeen. Entropie-oscillatie moet in het algemeen worden beschouwd als een intern proces, waarbij geen uitwisseling van energie met het medium plaatsvindt.

"Geen andere soorten systeem vertonen entropie-oscillaties die ik ken, maat één:chemische reacties waarbij de geproduceerde verbinding dient als katalysator voor de inverse reactie. Als resultaat, de reactie gaat heen en weer, en entropie in het systeem oscilleert, ' zei Sodré.

De nieuwe studie lost de "fundamentele paradox van stellaire dynamiek, " en beschrijft de vorming van kosmische macrostructuren realistischer. De andere onderzoekers die deelnamen waren 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. Toch, 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."