Kosmologie: Kollisionsfreie vs. Kollisionsflüssigkeiten?

Ich versuche, den Unterschied zwischen kollisionsfreien und kollisionsfreien Flüssigkeiten in der Kosmologie zu verstehen. Meine erste Frage ist folgende.

Im Kontext der FLRW-Kosmologie nehmen wir an, dass das Universum als eine Mischung von Flüssigkeiten beschrieben werden kann mit:

T μ v = ( ρ C 2 + P ) u μ u v + P G μ v

  • Wenn wir das schreiben, nehmen wir dann eine kollisionsfreie oder kollisionsfreie Natur der Fluide an?
  • Wenn diese Beschreibung Kollisionsflüssigkeiten entspricht, warum sind kosmologische Simulationen N-Körper-Simulationen (kollisionslos) und basieren nicht einfach auf Hydrodynamik?
  • Können wir Gleichungen eines kollisionsfreien Systems lösen, ohne Partikel zu verwenden (und nur Zellen mit physikalischen Eigenschaften wie im Kollisionsfall)?
  • Ist auf sehr großem Maßstab (Skala der Homogenität), wenn wir nicht an der Bildung lokaler Strukturen (wie Galaxien und Superhaufen) interessiert sind, die kollisionsfreie/kollisionsbezogene Beschreibung wichtig?
Sie können (und sollten!) beide Arten von Fluidmodellen annehmen und berechnen, welches besser passt. Mir ist nicht bewusst, dass alle kosmologischen Berechnungen (numerisch oder nicht) n-Körper-Simulationen sind oder dass n-Körper-Simulationen die Modellierung von Kollisionen ausschließen (sie tun es nicht). Spielen Kollisionen in sehr großem Maßstab eine Rolle? Hängt davon ab, was Sie mit "Materie" und "sehr großem Maßstab" meinen, nicht wahr? Die Verteilung der Materie erst zu ordnen ist überhaupt nicht "wichtig", solange sie homogen "genug" ist.
Die Dichte und die Temperaturen im interstellaren Medium sind niedrig und hoch genug, dass das Plasma als kollisionsfrei betrachtet werden kann. Tatsächlich beträgt die Kollisionszeitskala sogar im Sonnenwind ungefähr eine Coulomb-Kollision pro Tag. Interstellarer Staub kann jedoch neutral sein und durch Kollisionen beeinflusst werden. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob es genug Staub gibt, um Galaxien oder Haufen signifikant zu beeinflussen (hier könnte mir ein Experte helfen).

Antworten (2)

  • F : Wenn wir das schreiben, nehmen wir dann eine kollisionsfreie oder kollisionsfreie Natur der Fluide an?
  • A : Es ist der Energie-Impuls-Tensor für ein perfektes Fluid. Kapitel 2.26
  • F : Wenn diese Beschreibung Kollisionsflüssigkeiten entspricht, warum sind kosmologische Simulationen N-Körper-Simulationen (kollisionslos) und basieren nicht einfach auf Hydrodynamik?
  • A : Kosmologische Simulationen sind nicht immer N-Körper-Simulationen. Physiker gehen oft davon aus, dass Dunkle Materie nahezu kollisionsfrei ist . Diese Annahme wird gerechtfertigt, indem man sich zB den Bullet Cluster anschaut , wo Galaxien kollidieren und Dunkle Materie nicht mit sich selbst oder baryonischer Materie wechselwirkt: Berechnungen zur Dark Matter Self-Interaction from the Bullet Cluster . Baryonische Materie hingegen kann als Kollision angenommen werden, kann aber oft vernachlässigt werden.
  • F : Können wir Gleichungen eines kollisionsfreien Systems lösen, ohne Partikel zu verwenden (und nur Zellen mit physikalischen Eigenschaften wie im Kollisionsfall)?
  • A : Ja, das ist möglich. Die kollisionsfreie Boltzmann-Gleichung beschreibt kollisionsfreie Materie ( Abschnitt 30.5 ) und kann auf ein Maschengitter (in Zellen) diskretisiert werden. Man müsste auch den Phasenraum für die drei Geschwindigkeitskoordinaten haben; diese können auch diskretisiert werden. Zusätzlich müsste man die relativistische Poisson-Gleichung lösen, die die Wechselwirkung mit der Schwerkraft beschreiben würde.
  • F : Wird auf sehr großem Maßstab (Skala der Homogenität), wenn wir nicht an der Bildung lokaler Strukturen (wie Galaxien und Superhaufen) interessiert sind, die kollisionsfreie/kollisionsbezogene Beschreibung wichtig?
  • A : Das hängt zumindest davon ab: a) ob die Materie stark kollisionsfähig ist oder nicht, und b) an welcher Art von Physik wir interessiert sind. Beispielsweise wird dunkle Materie normalerweise als stark kollisionsfrei, aber nahezu schwarz angenommen Löcher erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen .

Zusätzliche Bemerkungen:

Ihre Gleichung gilt für eine perfekte Flüssigkeit ohne Viskosität. N-Körper-Simulationen gelten nur für Dunkle Materie, und es wird allgemein angenommen, dass die Dunkle Materie nur gravitativ wechselwirkt. Es gibt hydrodynamische Simulationen, die Baryonen enthalten, aber diese sind rechenintensiver und werden daher im Allgemeinen für kleinere Simulationen durchgeführt. Wenn Sie nur an der durchschnittlichen ("Hintergrund") Entwicklung in großen Maßstäben interessiert sind, ist die Kollisionsnatur nicht wichtig.

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