Corrección a un modelo de formación de galaxias y cúmulos estelares

   MADRID, 4 Dic. (EUROPA PRESS) -

   Un nuevo estudio brasileño publicado en The Astrophysical Journal argumenta que la comprensión de los astrofísicos del fenómeno cósmico conocido como relajación violenta es errónea y se propone corregirla.

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

   "El problema es que la ecuación de Vlasov supone 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 es un fenómeno real", dice Laerte Sodré Júnior, uno de los autores del estudio, profesor titular y ex director del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias de la Atmósfera de la Universidad de São Paulo (IAG-USP) en Brasil.

   Según explica Sodré en su estudio, el proceso de relajación siempre se ha analizado utilizando 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 cierto, un proceso de este tipo -reversible en el tiempo- requeriría una revisión de los mismos fundamentos de la física. Por esta razón, la literatura especializada se refiere a ella como "la paradoja fundamental de la dinámica estelar".

   "Era claro para nosotros 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".

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

   "Puede parecer contradictorio con 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 las interacciones gravitacionales, los organismos 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 una pregunta como esta. La entropía tiene dos aspectos: uno es puramente caótico, está asociado con la segunda ley de la termodinámica, esto es la entropía convencional, y el otro deriva de estas correlaciones, que se desvanecen con el tiempo, aunque lentamente. es lo que determina su comportamiento oscilatorio ".

   Podría ser más fácil entender el problema al imaginar 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 comienza a atraer a todos los demás y la distribución inicial cambia, contrayéndose y expandiéndose alternativamente.

   Este ir y venir 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 XIX, 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 protección no ocurre con la fuerza gravitacional. En principio, puede extenderse al infinito. Esto es lo que crea esas correlaciones", dijo Sodré.

   Aunque los cúmulos de galaxias y los cúmulos de estrellas globulares interactúan con el universo entero, se pueden considerar aquí sistemas cerrados, "no disipativos", lo que significa que su energía total no se pierde en el medio externo, sino que se conserva.

   Algunos cuerpos adquieren grandes cantidades de energía cinética y aceleran más allá de la velocidad de escape, separándose del sistema, pero esto no es especialmente significativo, en general. En general, la oscilación de la entropía 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 conozca, excepto una: reacciones químicas en las que el compuesto producido sirve como catalizador para 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 forma más realista, según el equipo investigador.