Звездные системы: в чем разница между вириальным, динамическим и термодинамическим равновесием?

В настоящее время я самостоятельно просматриваю Binney & Tremaine (2008), чтобы узнать о звездной динамике. Я также просматривал дополнительные онлайн-ресурсы, такие как эта вики-педагогия .

Часто при различении бесстолкновительных и столкновительных звездных систем используется теорема вириала вместе с уравнениями для «времени пересечения» (также известного как «динамическое время») и «времени релаксации». Большая галактика называется бесстолкновительной, поскольку время ее релаксации на много порядков превышает ее возраст, тогда как плотная звездная система (например, шаровое скопление) является бесстолкновительной, поскольку ее время релаксации меньше ее возраста.

Но какова связь между этим так называемым «расслабленным» состоянием и вириальным, динамическим и термодинамическим равновесием? Что интуитивно означают три различных вида равновесий?

Например, я слышал, что предполагается, что большие галактики находятся в вириальном равновесии, а затем люди получают «динамические массы» (почему не «вириальные массы»?). Что требуется и/или означает, чтобы большая эллиптическая галактика находилась не только в вириальном равновесии, но также и в динамическом или термодинамическом равновесии?

Ответы (1)

Тепловое равновесие

Тепловое равновесие сильно зависит от идеи равнораспределения (кинетической) энергии . В звездной системе это означает, что полная кинетическая энергия равномерно распределяется между всеми звездами. Это не означает, что все скорости одинаковы; они не могут, потому что не все массы одинаковы.

Динамическое равновесие

Динамическое равновесие означает, что в динамических временных масштабах система стабильна — по сути, она не поддастся коллапсу ядра из-за гравитермической нестабильности. Обратите внимание, что для системы может быть невозможно достичь теплового равновесия, даже если она находится в динамическом равновесии. В системе с двумя основными типами звезд она должна удовлетворять условию устойчивости Спитцера (см. Фрегео и др. (2001) и эти результаты ):

( М 2 М 1 ) ( м 2 м 1 ) 3 / 2 < 0,16
куда М 1 и М 2 - суммарные массы типов 1 и 2.

Вириальное равновесие

Вириальное равновесие возникает, когда система удовлетворяет теореме вириала (см. Meylan (2000) ), т.е.

2 ⟨ Т ⟩ + ⟨ В ⟩ знак равно 0
куда Т и В это кинетическая и потенциальная энергии.

И обратите внимание, что вириальное равновесие не требует теплового равновесия, потому что кинетическая энергия может распределяться между звездами любым образом.
Спасибо обоим, просто чтобы убедиться, что я понимаю: таким образом, комбинация теплового и динамического равновесия является «термодинамическим равновесием» и включает в себя равное распределение энергии между составляющими системы, а также долгосрочную динамическую стабильность. Кажется, что с вириальным равновесием работать намного легче, чем с тепловым или динамическим равновесием, потому что оно включает в себя долгосрочное усреднение по времени, и не всегда ясно, находится ли наблюдаемое, например, шаровое скопление в тепловом равновесии. @RobJeffries & HDE: гравитермическая нестабильность и ее последствия все еще интенсивно изучаются астрофизиками?
@quantumflash Да, это так. Еще один пример для рассмотрения - теорема вириала не работает, когда объекты имеют внутренние степени свободы. В кластерах это означает, что двоичные файлы проблематичны. Теперь также кажется вероятным, что кластеры никогда не достигают равнораспределения.
Уважаемый @RobJeffries, не могли бы вы предложить хороший обзор или даже недавнюю исследовательскую работу, в которой исследуется идея о том, что звездные скопления никогда не достигают равного распределения? Означает ли это, что использование теоремы вириала для определения массы шарового скопления не совсем корректно?
@quantumflash Я сказал, что они никогда не достигают равного распределения. Вероятно, они находятся в вириальном равновесии (приблизительно). Вириальное равновесие не требует, чтобы КЭ распределялась между звездами поровну.
@квантумфлеш. Моделирование N-тел: Spera et al. (2016) arxiv.org/abs/1604.03943 Тренти и ван дер Марел (2013) arxiv.org/abs/1302.2152 . Я работаю над статьей, подтверждающей результаты предыдущей работы с использованием измерений лучевой скорости в богатом рассеянном скоплении.
Очень круто @RobJeffries! Могу я просто спросить, как можно изучить достаточно инструментов для моделирования N тел, чтобы иметь возможность проводить такие теоретические эксперименты? Достаточно ли просто прочитать книгу «Бинни и Тремейн», и тогда я смогу просто программировать простые гравитационные симуляции N тел? И будут ли симуляции N тел, как в этих статьях, работать на моем собственном ноутбуке (например, с использованием Python) или для них потребуются суперкомпьютеры?
@quantumflash Некоторые коды общедоступны. Я не могу комментировать ваш вопрос о скорости; это зависит от Н . Но я думаю, что вы можете ограничиться несколькими сотнями звезд. ast.cam.ac.uk/~sverre/web/pages/nbody.htm
@RobJeffries Еще раз спасибо! Так что, как правило, нужно использовать эти общедоступные коды для моделирования N тел? Невозможно написать свой собственный решатель N-body, например, на python?
Звездные системы: в чем разница между вириальным, динамическим и термодинамическим равновесием?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v