Über Analogien zwischen Gas- und Sternensystemen

9

Analogien zwischen (typischerweise) idealen Gas- und Sternsystemen sind nicht nur bis zu einem gewissen Grad intuitiv gültig, sondern wurden auch etabliert und für die Untersuchung von Sternhaufen und galaktischen Systemen verwendet, meist als Vereinfachung für kollisionsfreie Boltzmann-Gleichungen.

Die Idee hinter der Analogie ist, dass wenn ein Sternensystem als eine Menge von Punktmassen dargestellt werden kann und wenn die Anzahl der Punktmassen groß ist, wir sie unter dem Gesichtspunkt der kinetischen Theorie der Gase betrachten können. Eine Sache, an die man sich hier erinnern sollte, ist jedoch, dass das Sterngassystem weder entspannt ist noch entspannt werden kann.

Ich bin hier neugierig: Wie weit kann die beschriebene Analogie gedrängt werden?

Zum Beispiel gibt es eine Reihe von gasspezifischen Phänomenen (oder wir könnten über Plasma sprechen, wenn Sie es vorziehen), die für Sternensysteme wie Schocks, Turbulenzen oder Viskosität faszinierend vorstellbar wären. Können solche oder andere charakteristische Phänomene in Sternensystemen existieren und gibt es tatsächliche Systeme, die ein solches Verhalten zeigen? (Von den genannten existiert ein Viskositätsanalogon und ist ziemlich häufig)

stellar-dynamics plasma-physics n-body-simulations

— Alexey Bobrick
quelle

Ich verstehe nicht, warum nicht, obwohl sie vermutlich nur in sehr großen (z. B. galaxiengroßen) Systemen sichtbar sind und in Wirklichkeit durch das Vorhandensein von tatsächlichem Gas in solchen Systemen maskiert werden könnten . Selbst sehr einfache wechselwirkende Partikelsysteme wie diskrete Gittergase können Turbulenzen in großem Maßstab aufweisen. Warum also nicht auch Gravitations-n-Körpersysteme?

— Ilmari Karonen

@IlmariKaronen: Das würde ich auch denken. In der Tat könnten einige Sternhaufen schon haben groß genug angesehen werden . Meine Zweifel ergeben sich jedoch aus verschiedenen Richtungen: 1) Gravitationssysteme können nicht vollständig thermisieren, 2) Das Wechselwirkungspotential ist nicht das gleiche wie bei makroskopisch neutralem Plasma, 3) Der Phasenraum hat keine Grenze, so dass die Objekte dies gerne tun verdampfen. All dies macht es etwas weniger offensichtlich, denn die Analogie ist da, aber sie ist nicht vollständig.

N

$N$

— Alexey Bobrick

1

Als Beispiel für eine nützliche Verbindung unterscheidet sich die sogenannte Toomre-Zahl, die die Dichteschwelle definiert, bei der eine dünne Scheibe gegenüber Radialwellen gravitationsinstabil wird, nur um einen Faktor 3,31 / 3,14 zwischen einer Sternscheibe und einer gasförmigen.

— Chris

2

Die Analogie ist eher schwach und nicht wirklich nützlich.

Sogenannte kollisionsfreie Sternensysteme (solche, bei denen die Relaxation durch Sternbegegnungen über ihre Lebensdauer keinen nennenswerten Einfluss hat) wie Galaxien können durch die kollisionsfreie Boltzman-Gleichung beschrieben werden, kommen jedoch niemals in ein thermodynamisches Gleichgewicht (nur in ein dynamisches oder viriales Gleichgewicht) ). Somit sind die einzigen anderen Systeme mit etwas ähnlichem Verhalten kollisionsfreie Plasmen.

Schall, Turbulenzen, Viskosität usw. werden alle durch Nahkollisionen (nicht bloße Begegnungen) zwischen den Molekülen beeinflusst. Diese halten auch das thermodynamische Gleichgewicht und eine Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung aufrecht. Stellare Systeme haben keinen dieser Prozesse und ihre Geschwindigkeiten sind im Allgemeinen anisotrop verteilt und folgen keiner Maxwell-Verteilung.

Gase sind in gewisser Weise einfacher zu verstehen, da ihre Dynamik von lokalen Prozessen bestimmt wird und statistische Methoden sehr nützlich sind. Stellare Systeme werden durch die Schwerkraft angetrieben, dh durch nicht lokale Prozesse mit großer Reichweite, und die Intuition aus der Physik von Gasen ist oft sehr irreführend (zum Beispiel hat ein selbstgravitierendes System eine negative Wärmekapazität - dies gilt auch für Gaskugeln, wie z als Sterne).

Beachten Sie auch, dass die Anzahl der Partikel in einem Gas viel größer ist ( ) als die Anzahl der Sterne in einer Galaxie ( ), obwohl die Anzahl der Partikel der dunklen Materie viel sein kann höher. $\sim10^{26}$ $\sim10^{11}$

— Walter
quelle

1

Es gibt eine interessante Arbeit von Jes Madsen , die einige Erfolge bei der Modellierung von Kugelhaufen als isotherme Kugeln erzielt.

— EHN
quelle

1

Ja, wahr, tatsächlich wurde die isotherme Gasnäherung ziemlich häufig zur Modellierung von Clustern verwendet. Und es ist eine vernünftige Möglichkeit, die sechsdimensionale Verteilungsfunktion auf 3d oder sogar auf 1d zu vereinfachen, wenn eine sphärische Symmetrie angenommen wird. Ich frage mich jedoch über eine etwas grundlegendere Frage. Das heißt, wie gültig ist die Analogie zwischen N-Körper-Gravitationssystemen und Gas. Können N-Körpersysteme Stöße und Turbulenzen aufweisen oder nicht? Oder wo liegen die Grenzen einer solchen Analogie? Bei isothermen Modellen besteht kein Zweifel daran, dass sie existieren und in der praktischen Forschung verwendet werden.

— Alexey Bobrick