Astronomía

¿Por qué el medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM) es tan caliente y qué es el “calentamiento por choque sin colisiones”?

¿Por qué el medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM) es tan caliente y qué es el “calentamiento por choque sin colisiones”?


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El artículo de Phys.org Los investigadores encuentran la última materia ordinaria que falta en el universo dice:

La materia ordinaria, o "bariones", constituyen todos los objetos físicos que existen, desde las estrellas hasta los núcleos de los agujeros negros. Pero hasta ahora, los astrofísicos solo habían podido localizar alrededor de dos tercios de la materia que los teóricos predicen que fue creada por el Big Bang.

En la nueva investigación, un equipo internacional identificó el tercio que faltaba y lo encontró en el espacio entre las galaxias. Esa materia perdida existe como filamentos de oxígeno gaseoso a temperaturas de alrededor de 1 millón de grados Celsius, dijo Michael Shull de CU Boulder, coautor del estudio.

y se refiere a F. Nicastro et al, Observaciones de los bariones faltantes en el medio intergaláctico cálido-caliente, Nature (2018). DOI: 10.1038 / s41586-018-0204-1

El medio intergaláctico cálido-caliente de la página de Wikipedia dice:

Parte de la energía gravitacional suministrada por estos efectos se convierte en emisiones térmicas de la materia mediante calentamiento por choque sin colisiones.

pero el vínculo con "sin colisiones" es ambiguo y no tengo ni idea de cómo una onda de choque puede calentarse sin colisiones.

¿Hay alguna manera de entender por qué el medio intergaláctico cálido-caliente (WHIM) está tan caliente y cuál es el proceso de "calentamiento por choque sin colisiones" que parece calentarlo?

¿Son similares las temperaturas asociadas con el movimiento de los átomos y con los estados excitados de los átomos? Con solo del orden de 1 átomo por metro cúbico, las colisiones deben ser tan infrecuentes que me parece que podría no ser tan difícil para estas dos temperaturas divergir.


La respuesta es casi con certeza los campos magnéticos. Un choque sin colisión ocurre cuando intenta propagar un aumento / densidad en la presión a través de un plasma disperso a una velocidad mayor que la del sonido. Si bien los iones y los electrones no chocan (con mucha frecuencia), los campos magnéticos que enhebran el plasma aceleran las partículas cargadas.

En un choque sin colisión, los campos magnéticos se comprimirán y se volverán turbulentos, lo que provocará la disipación de energía. La energía se transfiere al movimiento de partículas en el plasma (y radiación). Esto se puede caracterizar con una temperatura, pero el plasma puede tener un componente significativamente no térmico y, de hecho, el calentamiento por choque sin colisiones es una forma de producir partículas muy energéticas. Supongo que cuando se habla de una "temperatura" con respecto al medio intergaláctico es una caracterización aproximada; de hecho, la revisión de Bykov et al. (2008) proporciona más detalles, refiriéndose a diferentes temperaturas para los iones y electrones, distribuciones de velocidad anisotrópicas no maxwellianas, etc.

Por supuesto, luego del choque tiene lugar algún tipo de relajación térmica moderada por colisiones entre iones y electrones. El tiempo que se tarda en alcanzar un equilibrio térmico depende de la densidad y la "temperatura" del plasma. A muy bajas densidades y altas temperaturas, es posible que no lo hagan en una época del Hubble.


Probablemente debería agregarse que el artículo incluye un error flagrante del tipo que se ve a menudo cuando el escritor científico aparentemente no tomó una clase de astronomía elemental (¡por eso tenemos tales clases!). Cuando el artículo dice que "la materia perdida existe como filamentos de oxígeno gaseoso", puede estar seguro de que Michael Shull nunca dijo nada parecido, porque ese lenguaje afirma claramente que la materia "perdida" es el oxígeno. Por supuesto, lo que se quiere decir es que los bariones no detectados previamente existen principalmente como protones (y electrones) libres, que es simplemente evidenciado por la presencia de oxígeno detectable que simplemente se supone que está en la proporción normal que encontramos entre oxígeno e hidrógeno. También podríamos objetar que llamarlo "perdido" es una hipérbole, un poco como decir que la materia cerebral del escritor estaba hasta ahora "perdida" porque no se podía ver al mirar en sus oídos, y sólo recientemente se "encontró". en alguna resonancia magnética reciente. Los astrónomos habían esperado durante mucho tiempo que el WHIM estuviera allí, y sabían que sería difícil de ver, por lo que difícilmente estaba "perdido". Pero ciertamente es bueno tener una mayor certeza de que está ahí.

Y no solo hay una suposición crucial de la proporción de oxígeno a hidrógeno, el OP es astuto al preguntar qué tan bien podemos conocer el contenido de oxígeno en sí. Todo lo que vemos es la luz del oxígeno, por lo que tenemos que modelar qué tan emisivo es para saber cuánto oxígeno hay allí. Eso no siempre es fácil a bajas densidades donde la emisividad puede diferir de lo que obtendría en el equilibrio termodinámico local, como se señaló en la pregunta y también en la primera respuesta. Así que no se han resuelto todas las incertidumbres, pero sin duda es un buen paso adelante.

Un último punto se refiere a por qué el gas está tan caliente. Esto está relacionado con el hecho de que el gas de baja densidad se enfría a sí mismo de manera muy ineficiente, porque el enfriamiento generalmente requiere colisiones entre las partículas (lo que genera la luz). El calentamiento, por otro lado, puede ocurrir de varias maneras que pueden involucrar interacciones con algo más que las partículas, digamos con rayos cósmicos o con campos magnéticos. Estos últimos elementos pueden estar presentes incluso si la densidad es muy baja, lo que da lugar a temperaturas elevadas. También hay una inestabilidad de enfriamiento radiativo por encima de aproximadamente 10,000 K, donde el gas que se calienta por encima comienza a enfriarse de manera menos eficiente (ya que el hidrógeno se ioniza por completo) y responde al ser comprimido por la presión ambiental, lo que aumenta la temperatura aún más.


Ver el vídeo: Warm-Hot Intergalactic Medium (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Tushakar

    ¡Maravilloso! ¡Gracias!

  2. Mura

    Gracias, la publicación ayudó mucho.

  3. Rui

    Disculpe, he pensado y aclaré el pensamiento

  4. Carmontieh

    Este es solo un mensaje inigualable;)

  5. Ragnorak

    Encuentro que no tienes razón.



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