Cuando se forman cúmulos de galaxias y cúmulos de estrellas globulares, ocurre un fenómeno llamado "relajación violenta". Después de interactuar intensamente, los miles o incluso millones de cuerpos alcanzan un estado de equilibrio gravitacional relativo y una distribución espacial bastante duradera.

Un nuevo estudio desarrollado por investigadores brasileños y publicado en El diario astrofísico sostiene que la comprensión de los astrofísicos de la relajación violenta es incorrecta y se propone corregirla.

"El problema es que la ecuación de Vlasov asume una entropía constante en el sistema, lo que significa que no hay producción de entropía. Esto equivale a decir que la situación es simétrica en el tiempo, ya que la flecha del tiempo se determina aumentando la entropía. Evidentemente no está en el fenómeno real, "dice Laerte Sodré Júnior, uno de los autores del estudio, profesor de tiempo completo, y exdirector del Instituto de Astronomía de la Universidad de São Paulo, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG-USP) en Brasil.

Según Sodré, el proceso de relajación siempre se ha analizado mediante la ecuación de Vlasov, una ecuación diferencial propuesta en 1931 por el físico ruso Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] para describir los procesos cinéticos que tienen lugar en el plasma.

Si fuera verdad un proceso de este tipo, reversible en el tiempo, requeriría una revisión de los fundamentos mismos de la física. Por esta razón, la literatura especializada se refiere a ella como "la paradoja fundamental de la dinámica estelar".

"Para nosotros estaba claro que algo andaba mal, y nuestra sospecha fue confirmada por el estudio, ", Dijo Sodré." La solución que encontramos a la supuesta 'paradoja' se puede resumir en una frase corta:la ecuación de Vlasov simplemente no se aplica a este caso ".

Equilibrio virial

Los investigadores aprovecharon poderosos recursos computacionales, como emplear un grupo de computadoras como medio para probar esta idea intuitiva. Como se esperaba, las simulaciones mostraron que la entropía aumenta, pero otro resultado era difícil de entender:mientras que la entropía aumenta a largo plazo, al inicio del proceso de relajación, fluctúa, alternativamente aumentando y disminuyendo.

"Puede parecer contradecir lo que sabemos sobre la entropía, que se entiende como una cantidad que siempre aumenta. Ciertamente aumenta inexorablemente a largo plazo, pero no todo el tiempo. Debido al gran alcance de interacciones gravitacionales, los cuerpos establecen correlaciones entre sí, y estas correlaciones determinan la naturaleza oscilatoria de la entropía en la etapa inicial del proceso, "Dijo Sodré.

"Podemos pensar en la pregunta de esta manera. La entropía tiene dos aspectos. Uno es puramente caótico, asociado con la segunda ley de la termodinámica:esta es la entropía convencional. El otro se deriva de estas correlaciones, que se desvanecen con el tiempo, aunque lentamente. Esto es lo que determina su comportamiento oscilatorio ".

Podría ser más fácil comprender el problema imaginando un grupo de 1, 000 estrellas o 1, 000 galaxias confinadas en un cierto volumen. Inicialmente tienen velocidad cero, pero debido a la interacción gravitacional, cada uno empieza a atraer a todos los demás, y la distribución inicial cambia, alternativamente contrayéndose y expandiéndose.

Este vaivén determinado por interacciones de largo alcance está asociado con oscilaciones de entropía. Dura hasta que todo el sistema alcanza un estado de equilibrio relativo, en el que permanece algo estable en términos de sus propiedades generales. En el siglo 19, a este estado se le dio el nombre de "equilibrio virial, "un término que todavía está en uso.

"Es una característica específica de las interacciones gravitacionales. Las interacciones electromagnéticas también son de largo alcance, pero como la materia es en general eléctricamente neutra, sus efectos se limitan a un volumen limitado. El efecto de blindaje no ocurre con la fuerza gravitacional. En principio, puede extenderse hasta el infinito. Esto es lo que crea esas correlaciones, "Dijo Sodré.

Aunque los cúmulos de galaxias y los cúmulos de estrellas globulares interactúan con todo el universo, pueden pensarse aquí como cerrados, sistemas "no disipativos", lo que significa que su energía total no se pierde al medio externo, pero conservado.

Algunos cuerpos adquieren grandes cantidades de energía cinética y aceleran más allá de la velocidad de escape, separarse del sistema, pero esto no es especialmente significativo, en general. La oscilación de la entropía generalmente debe considerarse un proceso interno, que no implica un intercambio de energía con el medio.

"Ningún otro tipo de sistema muestra oscilaciones de entropía que yo sepa, barra uno:reacciones químicas en las que el compuesto producido sirve como catalizador de la reacción inversa. Como resultado, la reacción cambia de un lado a otro, y la entropía en el sistema oscila, "Dijo Sodré.

El nuevo estudio resuelve la "paradoja fundamental de la dinámica estelar, "y describe la formación de macroestructuras cósmicas de manera más realista. Los otros investigadores que participaron fueron Leandro José Beraldo e Silva, Walter de Siqueira Pedra, Eder Leonardo Duarte Perico y Marcos Vinicius Borges Teixeira Lima.

Metodología

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. Aún así, 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."