При формировании галактических скоплений и звездных скоплений шарового типа осуществляется процесс насильственной релаксации. После интенсивного контакта, длившегося тысячи и миллионы лет, наступает период относительного гравитационного баланса. В новом исследовании решили исправить ошибочные предположения в этом процессе.
Дело в том, что уравнение Власова подразумевает постоянную энтропию в системе, то есть нет энтропии формирования. Это приравнивается к утверждению, что ситуация выступает симметричной по времени, потому что временная стрелка определяется ростом энтропии.
Процесс релаксации всегда анализировали уравнением Власова, предложенным в 1931 году Анатолием Власовым, чтобы описать кинетические процессы в плазме. Если бы все происходило именно так, то пришлось бы пересмотреть физические основы. Ученые подозревали, что что-то здесь не сходится и нашли подтверждение в наблюдениях. Оказалось, что уравнение Власова вообще не относится к этому делу.
Вириальное равновесие
Исследователи использовали мощные вычислительные ресурсы, вроде смоделированного скопления, чтобы доказать предположение. Симуляции показали, что энтропия растет, но есть и другой вывод: в период роста энтропии в долгосрочной перспективе в начале процесса релаксации присутствует колебание.
Кажется, что это противоречит общим знаниям об энтропии, которая всегда должна увеличиваться. Выходит, что при длительном рассмотрении она увеличивается, просто делает это не все время. Из-за огромного объема гравитационных контактов между объектами устанавливаются корреляции, и они определяют колебательный характер на начальной стадии.
Можно предположить, что у энтропии есть два аспекта: одно число выступает хаотичным и связано со вторым законом термодинамики (обычная энтропия), а второе появляется из корреляций.
Легче разобрать проблему на примере скопления из 1000 звезд или галактик, ограниченных конкретным объемом. Изначально они наделены нулевой скоростью, но из-за гравитационного контакта притягивают остальные, осуществляя переменное сжатие и расширение. Это приводит к колебаниям энтропии. Процесс продолжится, пока вся система не прибудет к относительному равновесию. В 19 веке для этого придумали термин «вириальное равновесие».
Галактические скопления и шаровые звездные взаимодействуют со всем пространством, но здесь их можно рассматривать в качестве замкнутых не диссипативных систем (полная энергия не выходит во внешнюю среду, а сберегается). То есть, колебания энтропии следует рассматривать как внутренний процесс, не влияющий на обмен энергии со средой.
Методология
Гравитационный контакт между небесными телами (галактиками или звездами) описывается законом всемирного тяготения Ньютона, опубликованным еще 330 лет назад. Математически проблема решается легко, но аналитическое решение не срабатывает в системах с тысячами и миллионами тел. Здесь и возникает необходимость в комплексном численном моделировании.
Эти методы создал астроном из Норвегии Сверре Аарсет. Такие симуляции нуждаются в огромной компьютерной мощности, поэтому приходится использовать скопления графических процессоров. Теперь программы Аарсета эффективно и надежно справляются с проблемой. Ученые сравнили результаты с данными от других космологических программ, и получили соответствие.