Lorsque des amas de galaxies et des amas d'étoiles globulaires se forment, un phénomène appelé "relaxation violente" se produit. Après une interaction intense, les milliers voire des millions de corps atteignent un état d'équilibre gravitationnel relatif et une distribution spatiale assez durable.

Une nouvelle étude développée par des chercheurs brésiliens et publiée dans Le Journal d'Astrophysique soutient que la compréhension des astrophysiciens de la relaxation violente est fausse et se propose de la corriger.

"Le problème est que l'équation de Vlasov suppose une entropie constante dans le système, ce qui signifie qu'il n'y a pas de production d'entropie. Cela revient à dire que la situation est symétrique dans le temps, puisque la flèche du temps est déterminée par l'entropie croissante. Ce n'est évidemment pas dans le phénomène réel, " dit Laerte Sodré Júnior, l'un des auteurs de l'étude, professeur titulaire, et ancien directeur de l'Institut d'astronomie de l'Université de São Paulo, Géophysique et sciences atmosphériques (IAG-USP) au Brésil.

Selon Sodre, le processus de relaxation a toujours été analysé à l'aide de l'équation de Vlasov, une équation différentielle proposée en 1931 par le physicien russe Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] pour décrire les processus cinétiques qui se déroulent dans le plasma.

Si c'était vrai, un tel processus, réversible dans le temps, exigerait une révision des fondements mêmes de la physique. Pour cette raison, la littérature spécialisée l'appelle "le paradoxe fondamental de la dynamique stellaire".

"Il était clair pour nous que quelque chose n'allait pas, et notre suspicion a été confirmée par l'étude, " a déclaré Sodré. " La solution que nous avons trouvée au prétendu " paradoxe " peut se résumer en une courte phrase :l'équation de Vlasov ne s'applique tout simplement pas à ce cas. "

Équilibre viral

Les chercheurs ont tiré parti de puissantes ressources de calcul, comme l'utilisation d'un cluster informatique comme moyen de prouver cette idée intuitive. Comme prévu, les simulations ont montré que l'entropie augmente, mais un autre résultat était difficile à comprendre :alors que l'entropie augmente à long terme, au début du processus de relaxation, ça fluctue, alternativement croissante et décroissante.

"Cela peut sembler contredire ce que nous savons sur l'entropie, ce qui est compris comme une quantité qui augmente toujours. Il augmente certainement inexorablement à long terme, Mais pas tout le temps. En raison de l'étendue des interactions gravitationnelles, les corps établissent des corrélations entre eux, et ces corrélations déterminent la nature oscillatoire de l'entropie dans la phase initiale du processus, " a déclaré Sodre.

"Nous pouvons réfléchir à la question comme ceci. L'entropie a deux aspects. L'un est purement chaotique, associée à la deuxième loi de la thermodynamique, c'est l'entropie conventionnelle. L'autre découle de ces corrélations, qui s'estompent avec le temps, quoique lentement. C'est ce qui détermine son comportement oscillatoire."

Il serait peut-être plus facile de comprendre le problème en imaginant un cluster de 1, 000 étoiles ou 1, 000 galaxies confinées dans un certain volume. Ils ont initialement une vitesse nulle, mais en raison de l'interaction gravitationnelle, chacun commence à attirer tous les autres, et la distribution initiale change, se contracte et se dilate alternativement.

Ce va-et-vient déterminé par les interactions à longue distance est associé à des oscillations d'entropie. Il dure jusqu'à ce que l'ensemble du système atteigne un état d'équilibre relatif, dans lequel il reste assez stable en termes de propriétés générales. Dans le 19ème siècle, cet état a reçu le nom d'« équilibre viral, " un terme qui est toujours utilisé.

"C'est une particularité des interactions gravitationnelles. Les interactions électromagnétiques sont aussi à longue portée, mais parce que la matière est en général électriquement neutre, leurs effets sont confinés à un volume limité. L'effet de protection ne se produit pas avec la force gravitationnelle. En principe, il peut s'étendre à l'infini. C'est ce qui crée ces corrélations, " a déclaré Sodre.

Bien que les amas de galaxies et les amas d'étoiles globulaires interagissent avec l'univers entier, ils peuvent être considérés ici comme fermés, systèmes "non dissipatifs", ce qui signifie que leur énergie totale n'est pas perdue dans le milieu extérieur, mais conservé.

Certains corps acquièrent de grandes quantités d'énergie cinétique et accélèrent au-delà de la vitesse d'échappement, se détacher du système, mais ce n'est pas particulièrement important, globalement. L'oscillation d'entropie doit généralement être considérée comme un processus interne, qui n'implique pas d'échange d'énergie avec le milieu.

"A ma connaissance, aucun autre type de système n'affiche d'oscillations d'entropie, première mesure :réactions chimiques dans lesquelles le composé produit sert de catalyseur à la réaction inverse. Par conséquent, la réaction va et vient, et l'entropie dans le système oscille, " a déclaré Sodre.

La nouvelle étude résout le "paradoxe fondamental de la dynamique stellaire, " et décrit la formation des macrostructures cosmiques de manière plus réaliste. Les autres chercheurs qui y ont participé étaient Leandro José Beraldo e Silva, Walter de Siqueira Pedra, Eder Leonardo Duarte Perico and Marcos Vinicius Borges Teixeira Lima.

Méthodologie

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. Even so, 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."