Sur les analogies entre les systèmes gazeux et stellaires

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Les analogies entre le gaz idéal (typiquement) et les systèmes stellaires sont non seulement intuitivement valables dans une certaine mesure, mais ont été établies et utilisées dans les études des amas stellaires et des systèmes galactiques, le plus souvent pour simplifier les équations de Boltzmann sans collision.

L'idée derrière l'analogie est que si un système stellaire peut être représenté comme un ensemble de masses ponctuelles, et si le nombre de masses ponctuelles est important, alors nous pouvons les considérer du point de vue de la théorie cinétique des gaz. Une chose à retenir ici, cependant, est que le système de gaz stellaire n'est ni détendu, ni détendu.

Je suis curieux ici: jusqu'où peut-on pousser l'analogie décrite?

Par exemple, il existe une gamme de phénomènes spécifiques au gaz (ou nous pourrions parler de plasma, si vous préférez), ce qui serait fascinant à imaginer pour les systèmes stellaires, tels que les chocs, la turbulence ou la viscosité. De tels phénomènes caractéristiques, ou d'autres, peuvent-ils exister dans les systèmes stellaires et existe-t-il des systèmes réels présentant un tel comportement? (parmi ceux cités, l'analogue de viscosité existe et est assez courant)

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— Alexey Bobrick
source

Je ne vois pas pourquoi, même si elles ne seraient vraisemblablement apparentes que dans de très grands systèmes (par exemple de la taille d'une galaxie), et en réalité, elles pourraient être masquées par la présence de gaz réel dans de tels systèmes. Pourtant, même des systèmes de particules en interaction très simples, comme les gaz de réseau discrets , peuvent présenter des turbulences à grande échelle, alors pourquoi pas les systèmes gravitationnels à n corps?

— Ilmari Karonen

@IlmariKaronen: Je pense que oui aussi. En fait, certains amas stellaires pourraient déjà être considérés comme ayant un suffisamment grand . Mes doutes proviennent cependant de plusieurs directions: 1) Les systèmes gravitationnels ne peuvent pas complètement thermaliser, 2) Le potentiel d'interaction n'est pas le même que pour un plasma macroscopiquement neutre, 3) L'espace de phase n'a pas de frontière, donc les objets aiment évaporer. Tout cela le rend un peu moins évident, car l'analogie est là, mais elle n'est pas complète.

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— Alexey Bobrick

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À titre d'exemple de connexion utile, le soi-disant nombre de Toomre qui définit le seuil de densité auquel un disque mince devient gravitationnellement instable par rapport aux ondes radiales ne diffère que d'un facteur 3,31 / 3,14 entre un disque stellaire et un disque gazeux.

— chris

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L'analogie est plutôt faible et pas vraiment utile.

Les systèmes stellaires dits sans collision (ceux pour lesquels la relaxation par les rencontres stellaires n'a pas d'effet appréciable au cours de leur vie), tels que les galaxies, peuvent être décrits par l'équation de Boltzman sans collision, mais ne s'installent jamais dans un équilibre thermodynamique (uniquement dans un certain équilibre dynamique ou virial ). Ainsi, les seuls autres systèmes ayant un comportement quelque peu similaire sont les plasmas sans collision.

Le son, la turbulence, la viscosité, etc. sont tous causés par des collisions rapprochées (et non de simples rencontres) entre les molécules. Ceux-ci maintiennent également l'équilibre thermodynamique et une distribution de vitesse Maxwell-Boltzmann. Les systèmes stellaires n'ont aucun de ces processus et leurs vitesses sont généralement distribuées de façon anisotrope et ne suivent pas une distribution de Maxwell.

Les gaz sont en quelque sorte plus simples à comprendre, car leur dynamique est guidée par des processus locaux et parce que les méthodes statistiques sont très utiles. Les systèmes stellaires sont entraînés par la gravité, c'est-à-dire des processus non locaux à longue portée, et l'intuition de la physique des gaz est souvent très trompeuse (par exemple, un système autogravitant a une capacité thermique négative - cela s'applique également aux sphères de gaz, telles que comme étoiles).

Notez également que le nombre de particules dans un gaz est beaucoup plus grand ( ) que le nombre d'étoiles dans une galaxie ( ), bien que le nombre de particules de matière noire puisse être beaucoup plus haute. $\sim10^{26}$ $\sim10^{11}$

— Walter
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Il y a un article intéressant de Jes Madsen , qui a réussi à modéliser des amas globulaires en sphères isothermes.

— EHN
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Oui, c'est vrai, en fait, l'approximation du gaz isotherme a été assez largement utilisée pour modéliser les grappes. Et c'est un moyen raisonnable de simplifier la fonction de distribution à six dimensions en 3d, voire éventuellement en 1d, en supposant une symétrie sphérique. Je m'interroge cependant sur une question un peu plus fondamentale. Autrement dit, quelle est la validité de l'analogie entre les systèmes gravitationnels à N corps et le gaz. Les systèmes à N corps peuvent-ils présenter des chocs et des turbulences ou non? Ou, quelles sont les limites d'une telle analogie? Quant aux modèles isothermes, il ne fait aucun doute qu'ils existent et sont utilisés dans la recherche pratique.

— Alexey Bobrick