Quando os aglomerados de galáxias e aglomerados de estrelas globulares se formam, ocorre um fenômeno denominado "relaxamento violento". Depois de interagir intensamente, os milhares ou mesmo milhões de corpos atingem um estado de equilíbrio gravitacional relativo e uma distribuição espacial bastante duradoura.

Um novo estudo desenvolvido por pesquisadores brasileiros e publicado em The Astrophysical Journal argumenta que a compreensão dos astrofísicos sobre o relaxamento violento está errada e se propõe a corrigi-la.

"O problema é que a Equação de Vlasov assume entropia constante no sistema, o que significa que não há produção de entropia. Isso equivale a dizer que a situação é simétrica no tempo, já que a flecha do tempo é determinada pelo aumento da entropia. Evidentemente, não está no fenômeno real, "diz Laerte Sodré Júnior, um dos autores do estudo, professor titular, e ex-diretor do Instituto de Astronomia da Universidade de São Paulo, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG-USP) no Brasil.

De acordo com Sodré, o processo de relaxamento sempre foi analisado usando a equação de Vlasov, uma equação diferencial proposta em 1931 pelo físico russo Anatoly Alexandrovich Vlasov [1908-75] para descrever os processos cinéticos que ocorrem no plasma.

Se fosse verdade, um processo desse tipo - reversível no tempo - exigiria uma revisão dos próprios fundamentos da física. Por esta razão, a literatura especializada se refere a ele como "o paradoxo fundamental da dinâmica estelar".

"Ficou claro para nós que algo estava errado, e nossa suspeita foi confirmada pelo estudo, "A solução que encontramos para o suposto 'paradoxo' pode ser resumida em uma frase curta:a equação de Vlasov simplesmente não se aplica a este caso", disse Sodré.

Equilíbrio Virial

Os pesquisadores alavancaram recursos computacionais poderosos, como o emprego de um cluster de computador como meio de provar essa ideia intuitiva. Como esperado, as simulações mostraram que a entropia aumenta, mas outro resultado era difícil de entender:enquanto a entropia aumenta no longo prazo, no início do processo de relaxamento, flutua, aumentando e diminuindo alternadamente.

"Pode parecer contradizer o que sabemos sobre entropia, que é entendida como uma quantidade que sempre aumenta. Certamente aumenta inexoravelmente a longo prazo, Mas não o tempo todo. Devido ao grande escopo de interações gravitacionais, órgãos estabelecem correlações entre si, e essas correlações determinam a natureza oscilatória da entropia na fase inicial do processo, "Sodré disse.

"Podemos pensar sobre a questão assim. A entropia tem dois aspectos. Um é puramente caótico, associada à segunda lei da termodinâmica - esta é a entropia convencional. O outro deriva dessas correlações, que desaparecem com o tempo, embora lentamente. Isso é o que determina seu comportamento oscilatório. "

Pode ser mais fácil entender o problema imaginando um cluster de 1, 000 estrelas ou 1, 000 galáxias confinadas em um determinado volume. Eles inicialmente têm velocidade zero, mas devido à interação gravitacional, cada um começa a atrair todos os outros, e as mudanças de distribuição inicial, alternadamente contraindo e expandindo.

Este vaivém determinado por interações de longo alcance está associado a oscilações de entropia. Ele dura até que todo o sistema atinja um estado de equilíbrio relativo, no qual permanece um tanto estável em termos de suas propriedades gerais. No século 19, este estado recebeu o nome de "equilíbrio virial, "um termo que ainda está em uso.

"É uma característica específica das interações gravitacionais. As interações eletromagnéticas também são de longo alcance, mas porque a matéria é em geral eletricamente neutra, seus efeitos são limitados a um volume limitado. O efeito de proteção não ocorre com a força gravitacional. Em princípio, pode se estender ao infinito. Isso é o que cria essas correlações, "Sodré disse.

Embora os aglomerados de galáxias e aglomerados de estrelas globulares interajam com todo o universo, eles podem ser considerados aqui como fechados, sistemas "não dissipativos", o que significa que sua energia total não é perdida para o meio externo, mas conservado.

Alguns corpos adquirem grandes quantidades de energia cinética e aceleram além da velocidade de escape, separando-se do sistema, mas isso não é especialmente significativo, geral. A oscilação de entropia geralmente deve ser considerada um processo interno, que não envolve uma troca de energia com o meio.

"Nenhum outro tipo de sistema exibe oscilações de entropia que eu conheça, barra um:reações químicas nas quais o composto produzido serve como um catalisador para a reação inversa. Como resultado, a reação muda para lá e para cá, e a entropia no sistema oscila, "Sodré disse.

O novo estudo resolve o "paradoxo fundamental da dinâmica estelar, “e descreve a formação das macroestruturas cósmicas de forma mais realista. Os outros investigadores que participaram foram Leandro José Beraldo e Silva, Walter de Siqueira Pedra, Eder Leonardo Duarte Perico and Marcos Vinicius Borges Teixeira Lima.

Metodologia

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. Mesmo assim, 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."