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MECANICA ESTADISTICA DE SISTEMAS GRAVITACIONALES
Es un hecho bien conocido [1-3] que, debido a que la gravitación es una interacción de largo alcance, los sistemas autogravitantes requieren una Mecánica Estadística especial y diferente a sistemas dominados por interacciones de corto alcance [4], en los cuales se suele modelar interacciones mediante colisiones (binarias, elásticas, etc.) Mientras que para estos últimos sistemas los ensambles microcanónico, canónico y gran-canónico llevan a resultados equivalentes, en los cuales tanto la entropía como la energía son cantidades extensivas, en los sistemas auto-gravitantes en equilibrio térmico y dinámico estas cantidades no pueden ser extensivas debido a que la validez del teorema Virial exige que las energías total, cinética y potencial estén fuertemente constreñidas. Esto implica que estos sistemas deban ser estudiados únicamente mediante el ensamble microcanónico, el cual considera regiones del espacio de fase (celdas microcanónica) que son lo suficientemente grandes como para incluir muchas partículas, pero suficientemente pequeñas como para que en cada celda los gradientes de todas las cantidades macroscópicas (incluyendo entropía y energía) sean despreciables. Como consecuencia de estas restricciones, el calor especifico a lo largo del sistema (integrando sobre las celdas) es negativo. Asimismo, estos sistemas no pueden existir como configuraciones estables para ciertos valores de parámetros (energías y radios) característicos. Esta inestabilidad lleva a un núcleo "core" colapsado coexistiendo con una región regular "halo" [1-3]. Esta inestabilidad inherente, llamada "inestabilidad de Antonov" o "catástrofe gravitérmica", ha sido confirmada mediante simulaciones numéricas [5-8].


Los sistemas auto-gravitantes tienen otras propiedades especiales. Por ejemplo, un gas de partículas sin colisiones produce efectos disipativos (lo cual no sucede en sistemas de interacciones cortas). Esto se debe al carácter de largo alcance de la gravedad, por lo que aun sin colisiones existen procesos de relajamiento ya que las partículas están correlacionadas aun sin colisiones [1-3]. Bajo la aproximación de campo medio y gas diluido, en la cual el espacio fase de N partículas es equivalente N copias del espacio fase de una partícula, la Teoría Cinética es aplicable. En dicha aproximación, se define como configuración de equilibrio a aquella que maximiza la funcional de la entropía. En estas condiciones y asumiendo solo interacción gravitacional, esta configuración esta caracterizada por la función de distribución de Maxwell-Boltzmann, pero sujeta a las restricciones anteriormente mencionadas debido a la virialización, por lo que tenemos calores específicos negativos y parámetros característicos asociados a la catástrofe gravitérmica [1-3]. En este caso restrictivo, llegamos a configuraciones esféricas que satisfacen la ecuación de estado del gas ideal de Maxwell-Boltzmann (la esfera isotérmica), las cuales han sido muy estudiadas [1-3]. Estas distribuciones son demasiado idealizadas y solo corresponden a sistemas astrofísicos (cúmulos globulares, galaxias, etc.) en forma aproximada. Para distribuciones mas realistas, los sistemas auto-gravitantes no pueden llegar a un estado de equilibrio definido en términos de la extremización de a funcional de la entropía, por lo que estos sistemas no tienen un "limite termodinámico" bien definido (esto también surge por la no extensividad de la entropía y la no-equivalencia entre los ensambles).


Es posible estudiar sistemas auto-gravitantes dentro de la Mecánica Estadística, tomando en cuanta las restricciones mencionadas, sobre todo la no-extensividad de la entropía, usando principalmente el ensamble micro-canónico. Muchos autores [9-12] aun siguen este enfoque y es valido mencionar que el estudio de estos sistemas es una área abierta a la investigación.


Recientemente ha surgido nuevas formulaciones dirigidas al tratamiento de sistemas en los cuales la entropía y la energía no son variables extensivas. La idea es proponer una funcional de la entropía que incorpore de entrada la no extensividad mediante un parámetro libre que en condiciones adecuadas se reduzca a la funcional tradicional de Maxwell-Gibbs. El formalismo de este tipo que más éxito ha tenido fue propuesto por el físico brasileño Constantino Tsallis [13] y ha sido aplicado a una gran variedad de sistemas físicos, desde sistemas astrofísicos [14], Fisica Nuclear [15] o finanzas [16]. La principal critica que se suele hacer a esta formulación es que introduce un parámetro libre nuevo "q" sin dar una forma explicita de como calcular los valores que este debe tomar [17-18]. El mismo Tsallis [19] ha sugerido que el valor de "q" esta relacionado con la dinámica microscópica fundamental de los sistemas, pero aun falta una prescripción o una indicación sobre como calcularlo. Diferentes autores que han aplicado el formalismo hasta la fecha solamente han logrado dar rangos de variación de este parámetro. El encontrar la vinculación de "q" con la dinámica fundamental es un área abierta en la investigación en Mecánica Estadística.


En el caso de gases auto-gravitantes en la aproximación de campo medio, la configuración que extremiza a la funcional de la entropía de Tsallis es la llamada función de distribución del "polítropo estelar", la cual se reduce a la distribución de Maxwell-Boltzmann en el limite de variable extensiva (cuando q tiende a 1) [20-23]. Este hecho es sumamente interesante, puesto que las configuraciones que obedecen la ecuación de estado poltrópica han sido muy estudiadas en el contexto astrofísico. Dentro de la Mecánica Estadística tradicional, esta ecuación de estado (los "polítropos gaseosos") se aplica a gases de fermiones degenerados en modelos estelares de diverso tipo: desde estrellas regulares (secuencia principal), hasta enanas blancas o estrellas de neutrones. En estos casos "q" tiene un valor bien definido, pero no puede interpretarse como un parámetro que mide la no-extensividad pues la entropía en los polítropos gaseosos es extensiva. En el contexto de la Mecánica Estadística de Tsallis, estaríamos considerando gases no-colisionales que mas bien modelarían cúmulos globulares o halos de materia oscura formados por partículas súper simétricas con interacción débil (WIMP's). En las configuraciones poltropicas de este tipo, el parámetro "q" debe ser ajustado mediante observaciones o consideraciones teóricas pertinentes a estos sistemas [23]. En particular, las simulaciones numéricas de N cuerpos llevan a conglomeraciones gravitacionales que exhiben un perfil de densidad que puede ser descrito mediante formulas empíricas con parámetros ajustables por las observaciones. Dada que los polítropos estelares son cofiguraciones de equilibrio (aunque idealizadas), es muy interesante verificar si el parámetro "q" pueda ser ajustado mediante los perfiles de densidad asociados a las simulaciones de N cuerpos. Este tipo de ajuste es una primera aproximación a sistemas realistas, pero podría dar una verificación empírica sobre la validez de la formulación de Tsallis, lo cual podría dar la pauta de como relacionar "q" con la dinámica de las partículas en estas simulaciones [23]. Un estudio detallado de la aplicación del formalismo de Tsallis a la dinámica de los halos galácticos es un tema de gran interés. Cabe especular, si la formulación de Tsallis es correcta, que los valores de este parámetro midieran grados de relajamiento promedio de estas partículas, o alguna otra propiedad.

Referencias

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[3] J. Binney and S. Tremaine, Galactic Dynamics, Princeton University Press, 1987.
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[6] S.L. Shapiro and S.A. Teukolsky: : ApJ, 298, 58, (1985);
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[11] E.V. Votyakov et al, Phys.Rev.Lett. 89, 031101, (2002)
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[13] C. Tsallis, J.Stat Phys, 52, 479, (1988)
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[18] P.H. Chavanis, Astron and Astroph, 386, 732 (2002)
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[20] A.R. Plastino and A. Plastino, Phys Lett A, 174, 384, (1993)
[21] A. Taruya and M Sakagami, Physica A, 307, 185, (2002)
[21] A. Taruya and M Sakagami, Physica A, 322, 285, (2003)
[22] A. Taruya and M Sakagami, "Gravothermal Catastrophe and Tsallis' Generalized Entropy of Self-Gravitating Systems II. Thermodynamic Properties of Stellar Polytropes", to appear in Physica A, [e-print cond-mat/0204315]
[23] A Teruya and M Sakagami, Phys.Rev.Lett. 90, 181101, (2003)
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