Cosmología: ¿fluidos sin colisión vs colisionales?

Trato de entender la diferencia entre fluidos colisionales y sin colisión en cosmología. Mi primera pregunta es la siguiente.

En el contexto de la cosmología FLRW, suponemos que el Universo se puede describir en términos de una mezcla de fluidos con:

T m v = ( ρ C 2 + PAG ) tu m tu v + PAG gramo m v

  • Cuando escribimos eso, ¿suponemos una naturaleza sin colisión o con colisión de los fluidos?
  • Si esta descripción corresponde a fluidos de colisión, ¿por qué las simulaciones cosmológicas son simulaciones de N-cuerpos (sin colisiones) y no se basan simplemente en la hidrodinámica?
  • ¿Podemos resolver ecuaciones de un sistema sin colisiones sin usar partículas (y solo celdas con propiedades físicas como en el caso de colisión)?
  • A una escala muy grande (escala de homogeneidad), cuando no estamos interesados ​​en la formación de estructuras locales (como galaxias y supercúmulos), ¿es importante la descripción sin colisión/colisión?
Puede (¡y debe!) asumir ambos tipos de modelos de fluidos y calcular cuál se ajusta mejor. No soy consciente de que todos los cálculos cosmológicos (numéricos o no) son simulaciones de n cuerpos o que las simulaciones de n cuerpos descartan el modelado de colisiones (no lo hacen). ¿Importan las colisiones a gran escala? Depende de lo que entiendas por "materia" y "escala muy grande", ¿no? En primer lugar, la distribución de la materia no "importa" en absoluto, siempre que sea "suficientemente" homogénea.
La densidad y las temperaturas en el medio interestelar son lo suficientemente bajas y altas como para que el plasma pueda considerarse sin colisiones. De hecho, la escala de tiempo de colisión incluso en el viento solar es de aproximadamente una colisión de Coulomb por día. Sin embargo, el polvo interestelar puede ser neutral y podría verse afectado por las colisiones. Sin embargo, no estoy seguro de si hay suficiente polvo para impactar de manera significativa en las galaxias o los cúmulos (un experto podría ayudarme aquí).

Respuestas (2)

  • P : Cuando escribimos eso, ¿suponemos una naturaleza sin colisión o con colisión de los fluidos?
  • A : Es el tensor de energía-momento para un fluido perfecto Capítulo 2.26
  • P : Si esta descripción corresponde a fluidos de colisión, ¿por qué las simulaciones cosmológicas son simulaciones de N-cuerpos (sin colisiones) y no se basan simplemente en la hidrodinámica?
  • R : Las simulaciones cosmológicas no siempre son simulaciones de N-cuerpos. Los físicos a menudo asumen que la materia oscura casi no tiene colisiones . Esta suposición se justifica observando, por ejemplo, el cúmulo de balas , donde las galaxias chocan y la materia oscura no interactúa consigo misma ni con la materia bariónica: Cálculos sobre la autointeracción de la materia oscura a partir del cúmulo de balas . La materia bariónica, por otro lado, se puede suponer que es de colisión, pero a menudo se puede despreciar.
  • P : ¿ Podemos resolver ecuaciones de un sistema sin colisión sin usar partículas (y solo celdas con propiedades físicas como en el caso de colisión)?
  • R : Sí, eso es posible. La ecuación de Boltzmann sin colisiones describe la materia sin colisiones ( Sección 30.5 ), y se puede discretizar en una cuadrícula de malla (en celdas). También se necesitaría tener el espacio de fase para las tres coordenadas de velocidad; estos también se pueden discretizar. Además, sería necesario resolver la ecuación relativista de Poisson que describiría la interacción con la gravedad.
  • P : A una escala muy grande (escala de homogeneidad), cuando no estamos interesados ​​en la formación de estructuras locales (como galaxias y supercúmulos), ¿se vuelve importante la descripción sin colisión/colisión?
  • R : Eso depende al menos de: a) si la materia es altamente colisionante o no, y b) qué tipo de física nos interesa. Como ejemplo, generalmente se supone que la materia oscura es altamente no colisionante, pero casi negra . agujeros la posibilidad de colisiones se incrementa .

Notas adicionales:

Tu ecuación se aplica a un fluido perfecto que no tiene viscosidad. Las simulaciones de N-cuerpos son solo para materia oscura y, en general, se supone que la materia oscura solo interactúa gravitacionalmente. Hay simulaciones hidrodinámicas que incluyen bariones, pero son más intensivas desde el punto de vista computacional y, por lo general, se realizan para simulaciones más pequeñas. Si solo está interesado en la evolución promedio ("de fondo") a gran escala, la naturaleza de colisión no es importante.

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