Segregación masiva (astronomía) - Mass segregation (astronomy)

Muchos cúmulos globulares , como el cúmulo M30 de 13 Gyr (en la foto), están segregados en masa.

En astronomía , la segregación dinámica de masa es el proceso por el cual los miembros más pesados ​​de un sistema ligado gravitacionalmente, como un cúmulo de estrellas o un cúmulo de galaxias , tienden a moverse hacia el centro, mientras que los miembros más ligeros tienden a alejarse más del centro.

Equipartición de energía cinética

Durante un encuentro cercano de dos miembros del grupo, los miembros intercambian energía e impulso . Aunque la energía se puede intercambiar en cualquier dirección, existe una tendencia estadística a que la energía cinética de los dos miembros se iguale durante un encuentro; este fenómeno estadístico se llama equipartición y es similar al hecho de que la energía cinética esperada de las moléculas de un gas son todas iguales a una temperatura dada.

Dado que la energía cinética es proporcional a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad, la equipartición requiere que los miembros menos masivos de un cúmulo se muevan más rápido. Los miembros más masivos tenderán a hundirse en órbitas más bajas (es decir, órbitas más cercanas al centro del cúmulo), mientras que los miembros menos masivos tenderán a ascender a órbitas más altas.

El tiempo que tardan las energías cinéticas de los miembros del grupo en igualar aproximadamente se denomina tiempo de relajación del grupo. Binney y Tremaine aproximaron en el libro de texto una escala de tiempo de relajación asumiendo que la energía se intercambia a través de interacciones de dos cuerpos como

${\ Displaystyle t _ {\ mathrm {relax}} = {\ frac {N} {8 \ ln N}} \ times t _ {\ mathrm {cross}} \,}$

donde es el número de estrellas en el cúmulo y es el tiempo típico que tarda una estrella en cruzar el cúmulo. Esto es del orden de 100 millones de años para un cúmulo globular típico con un radio de 10 parsecs que consta de 100 mil estrellas. Las estrellas más masivas de un cúmulo pueden segregarse más rápidamente que las estrellas menos masivas. Esta escala de tiempo se puede aproximar utilizando un modelo de juguete desarrollado por Lyman Spitzer de un cúmulo donde las estrellas solo tienen dos masas posibles ( y ). En este caso, las estrellas más masivas (masa ) se segregarán en el tiempo ${\ Displaystyle N}$${\ Displaystyle t _ {\ mathrm {cruz}}}$${\ Displaystyle m_ {1}}$${\ Displaystyle m_ {2}}$${\ Displaystyle m_ {1}}$

${\ Displaystyle t _ {\ mathrm {m_ {1}}} = {\ frac {m_ {2}} {m_ {1}}} \ times t _ {\ mathrm {relax}} \.}$

Se observó segregación exterior de enanas blancas en el cúmulo globular 47 Tucanae en un estudio HST de la región.

Segregación masiva primordial

La segregación masiva se observa ocasionalmente en cúmulos en regiones de formación de estrellas como W40 (en la foto).

La segregación de masas primordial es una distribución no uniforme de masas presentes en la formación de un cúmulo. El argumento de que un cúmulo de estrellas está primordialmente segregado en masa se basa típicamente en una comparación de escalas de tiempo de virialización y la edad del cúmulo. Sin embargo, se han examinado varios mecanismos dinámicos para acelerar la virialización en comparación con las interacciones de dos cuerpos. En las regiones de formación de estrellas, a menudo se observa que las estrellas de tipo O están ubicadas preferentemente en el centro de un cúmulo joven.

Evaporación

Después de la relajación, la velocidad de algunos elementos de masa baja puede ser mayor que la velocidad de escape del grupo, lo que provoca que estos elementos se pierdan en el grupo. Este proceso se llama evaporación . (Un fenómeno similar explica la pérdida de gases más ligeros de un planeta, como el hidrógeno y el helio de la Tierra; después de la equipartición, algunas moléculas de gases suficientemente ligeros en la parte superior de la atmósfera superarán la velocidad de escape del planeta y se perderán. )

A través de la evaporación, la mayoría de los cúmulos abiertos eventualmente se disipan, como lo indica el hecho de que la mayoría de los cúmulos abiertos existentes son bastante jóvenes. Los cúmulos globulares , al estar más unidos, parecen ser más duraderos.

En la galaxia

El tiempo de relajación de la Vía Láctea es de aproximadamente 10 billones de años, del orden de mil veces la edad de la propia galaxia. Por lo tanto, cualquier segregación de masas observada en nuestra galaxia debe ser casi por completo primordial.

Ver también

•  Problema de n-cuerpos - Problema en física y mecánica celeste
• Teorema virial  - Teorema de mecánica estadística
• Messier 67  - Antiguo cúmulo abierto en la constelación de Cáncer
• Willman 1
• Cúmulo de la Nebulosa de Orión  : cúmulo de estrellas abierto en el corazón de la Nebulosa de Orión, en la constelación de Orión.
• Westerhout 40  - Región de formación estelar en la constelación de Serpens

Referencias

Fuentes

• Ian A. Bonnell, Melvyn B. Davies (1998). "Segregación masiva en cúmulos estelares jóvenes" . Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 295 (3): 691–698. Código bibliográfico : 1998MNRAS.295..691B . doi : 10.1046 / j.1365-8711.1998.01372.x .

• Merritt, David (2013). Dinámica y evolución de los núcleos galácticos . Prensa de la Universidad de Princeton . ISBN 978-0-691-12101-7. OCLC  820123438 .

• Spitzer, Lyman S. (Jr) (1987). Evolución dinámica de los cúmulos globulares . Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 0-691-08309-6.

• White, SDM (abril de 1977). "Segregación masiva y masa faltante en el clúster de Coma". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 179 (2): 33–41. Código bibliográfico : 1977MNRAS.179 ... 33W . doi : 10.1093 / mnras / 179.2.33 .