Quando si formano ammassi di galassie e ammassi globulari di stelle, si verifica un fenomeno chiamato "rilassamento violento". Dopo aver interagito intensamente, le migliaia o addirittura milioni di corpi raggiungono uno stato di relativo equilibrio gravitazionale e una distribuzione spaziale abbastanza duratura.

Un nuovo studio sviluppato da ricercatori brasiliani e pubblicato su Il Giornale Astrofisico sostiene che la comprensione del rilassamento violento da parte degli astrofisici è sbagliata e si propone di correggerla.

"Il problema è che l'equazione di Vlasov assume entropia costante nel sistema, il che significa che non c'è produzione di entropia. Ciò equivale a dire che la situazione è simmetrica nel tempo, poiché la freccia del tempo è determinata dall'aumento dell'entropia. Evidentemente non è nel fenomeno reale, "dice Laerte Sodré Júnior, uno degli autori dello studio, professore a tempo pieno, ed ex direttore dell'Istituto di Astronomia dell'Università di San Paolo, Scienze geofisiche e atmosferiche (IAG-USP) in Brasile.

Secondo Sodré, il processo di rilassamento è sempre stato analizzato utilizzando l'equazione di Vlasov, un'equazione differenziale proposta nel 1931 dal fisico russo Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] per descrivere i processi cinetici che avvengono nel plasma.

Se fosse vero, un processo di questo tipo, reversibile nel tempo, richiederebbe una revisione dei fondamenti stessi della fisica. Per questa ragione, la letteratura specializzata lo definisce "il paradosso fondamentale della dinamica stellare".

"Era chiaro per noi che qualcosa non andava, e il nostro sospetto è stato confermato dallo studio, " Ha detto Sodré. "La soluzione che abbiamo trovato al presunto 'paradosso' può essere riassunta in una breve frase:l'equazione di Vlasov semplicemente non si applica a questo caso".

Equilibrio virale

I ricercatori hanno sfruttato potenti risorse computazionali, come l'utilizzo di un cluster di computer come mezzo per dimostrare questa idea intuitiva. Come previsto, le simulazioni hanno mostrato che l'entropia aumenta, ma un altro risultato era difficile da capire:mentre l'entropia aumenta nel lungo periodo, all'inizio del processo di rilassamento, fluttua, alternativamente crescente e decrescente.

"Può sembrare contraddire ciò che sappiamo sull'entropia, che si intende una quantità che aumenta sempre. Certamente aumenta inesorabilmente nel lungo periodo, ma non sempre. A causa della vasta portata delle interazioni gravitazionali, gli organismi stabiliscono correlazioni tra loro, e queste correlazioni determinano la natura oscillatoria dell'entropia nella fase iniziale del processo, " disse Sodré.

"Possiamo pensare alla domanda in questo modo. L'entropia ha due aspetti. Uno è puramente caotico, associata alla seconda legge della termodinamica:questa è l'entropia convenzionale. L'altro deriva da queste correlazioni, che svaniscono nel tempo, seppur lentamente. Questo è ciò che determina il suo comportamento oscillatorio".

Potrebbe essere più facile capire il problema immaginando un cluster di 1, 000 stelle o 1, 000 galassie confinate in un certo volume. Inizialmente hanno velocità nulla, ma a causa dell'interazione gravitazionale, ognuno comincia ad attrarre tutti gli altri, e la distribuzione iniziale cambia, alternativamente in contrazione e in espansione.

Questo andirivieni determinato dalle interazioni a lungo raggio è associato alle oscillazioni dell'entropia. Dura fino a quando l'intero sistema raggiunge uno stato di relativo equilibrio, in cui rimane alquanto stabile in termini di proprietà generali. Nel 19 ° secolo, a questo stato è stato dato il nome di "equilibrio virale, "un termine che è ancora in uso.

"È una caratteristica specifica delle interazioni gravitazionali. Anche le interazioni elettromagnetiche sono a lungo raggio, ma poiché la materia è in generale elettricamente neutra, i loro effetti sono limitati a un volume limitato. L'effetto di schermatura non si verifica con la forza gravitazionale. In linea di principio, può estendersi all'infinito. Questo è ciò che crea quelle correlazioni, " disse Sodré.

Sebbene gli ammassi di galassie e gli ammassi globulari interagiscano con l'intero universo, possono essere considerati qui chiusi, sistemi "non dissipativi", il che significa che la loro energia totale non viene persa nel mezzo esterno, ma conservato.

Alcuni corpi acquisiscono grandi quantità di energia cinetica e accelerano oltre la velocità di fuga, distaccarsi dal sistema, ma questo non è particolarmente significativo, globale. L'oscillazione di entropia generalmente dovrebbe essere considerata un processo interno, che non comporta uno scambio di energia con il mezzo.

"Nessun altro tipo di sistema mostra oscillazioni di entropia che io sappia, barra uno:reazioni chimiche in cui il composto prodotto funge da catalizzatore per la reazione inversa. Di conseguenza, la reazione cambia avanti e indietro, e l'entropia nel sistema oscilla, " disse Sodré.

Il nuovo studio risolve il "paradosso fondamentale della dinamica stellare, " e descrive più realisticamente la formazione delle macrostrutture cosmiche. Gli altri ricercatori che hanno preso parte sono stati Leandro José Beraldo e Silva, Walter de Siqueira Pedra, Eder Leonardo Duarte Perico and Marcos Vinicius Borges Teixeira Lima.

Metodologia

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. Comunque, 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."