Кіріспе

Жұлдыздық динамика – астрофизиканың жұлдыздардың өзара тартылысына бағынған ұжымдық қозғалысын статистикалық тұрғыдан сипаттайтын саласы. Аспан механикасынан ерекшелігі – қарастырылатын денелер санының көптігі. Типик галактикаларда миллиондаған макроскопиялық гравитациялық денелер, сондай-ақ сансыз нейтринолар және, мүмкін, басқа да қара микроскопиялық денелер кездеседі. Әр жұлдыз жалпы гравитациялық өрісқа шамамен бірдей үлес қосады, ал аспан механикасында зор денелердің тартылыс күші кез келген серік орбитасын анықтайды.

Релятивистік шамалау

Жоғарыдағы Ньютонның қозғалыс теңдеулерінде (ЭОМ) және Пуассон теңдеуінде үш байланысты жуықтаулар жасалған.

Эддингтон шегі

Екіншіден, жұлдыздық жүйелерде гравитациялық емес күш көбінесе елеусіз болады. Мысалы, әдеттегі жұлдыздың жанында сутек атомы немесе ионына түсетін сәулелену күші мен гравитация күшінің арақатынасы, сондықтан сәулелену күші, жалпы жағдайда, елеусіз болып табылады. Бұл, әсіресе, массасы бар жарқыраған О типті жұлдыздардың немесе Эддингтон шегінде газды жұтатын қара тесіктердің маңында байқалады, онда олардың жарқырау және масса арақатынасы арқылы анықталады.

Телдік бұзылу радиусы

Жұлдыз, қара тесіктің Хилл радиусы деп аталатын аймаққа кіргенде, қара тесіктің тасқын күшіне беткі қабаттағы гравитациясы бағынады, яғни, 0,001 парсек ең тығыз жұлдыздық жүйелердегі (мысалы, Галактика ортасындағы ядролық жұлдыздық шоғыр) жұлдыздық арақашықтық болатын жойылған радиусының типтік қара тесіктері үшін. Сондықтан, (негізгі тізбектегі) жұлдыздардың ішкі құрылымы көбінесе тым тығыз және олар бір-бірінен тым алыс орналасқан, сондықтан галактикалар мен шоғырлардағы ең күшті қара тесіктердің тасқын күштері оларды бұзуға жеткіліксіз.

Әлсіз кездесулер

Әлсіз кездесулер көптеген өтулер барысында жұлдыздық жүйенің эволюциясына зор әсер етеді. Гравитациялық кездесулердің әсерін демалыс уақыты тұжырымдамасымен зерттеуге болады. Демонстрациялық мысал – екі денелік релаксация, онда жұлдыздың орбитасы басқа жұлдызбен гравитациялық өзара әрекеттесу нәтижесінде өзгереді. Бастапқыда, қарастырылып отырған жұлдыз бастапқы жылдамдығымен орбита бойымен қозғалады, бұл жылдамдық соққы параметріне перпендикуляр болады, яғни ең жақын қашықтықтағы өтуге арналған қашықтыққа, ал оның гравитациялық өрісі бастапқы орбитаға әсер ететін сыртқы жұлдызға. Ньютон заңдарын қолдану арқылы, қарастырылып отырған жұлдыздың жылдамдығының өзгеруі (Δv) шамамен соққы параметріндегі үдеуге, үдеудің уақытша ұзақтығына көбейтілгенге тең болады. Демалыс уақытын жұлдыздың бастапқы жылдамдығына тең болуына кеткен уақыт ретінде немесе жылдамдықтың шағын ауытқуларының жұлдыздың бастапқы жылдамдығына тең болуына кеткен уақыт ретінде қарастыруға болады. Жұлдыздық жүйедегі орташа жұлдыздың демалуы үшін "жартылай диаметр" қиылыстарының саны, жоғарыда көрсетілген күшті бұрылуға арналған орташа бос уақытты бағалаудан гөрі, дәлірек есептеулерден шамамен алынған. Бұл жауаптың мәні бар, өйткені жалғыз дене немесе екі денелік жүйе үшін демалыс болмайды. Уақыт шкалаларының қатынасын жақсырақ бағалау үшін пайдаланылады, сондықтан 3 дене, 4 дене, 5 дене, 7 дене, 10 дене, , 42 дене, 72 дене, 140 дене, 210 дене, 550 дене үшін демалыс уақыты шамамен 16, 8, 6, 4, 3, , 3, 4, 6, 8, 16 қиылысқа тең. Оқшауланған екіжұлдыз жүйесі үшін демалыс болмайды, ал демалыс 16 денелік жүйе үшін ең жылдам болады; орбиталардың бір-бірінен шашырауы үшін шамамен 2,5 қиылыс қажет. Тегіс потенциалы бар жүйе, әдетте, орбиталық энергияны айтарлықтай өзгерту үшін күшті бұрылыс құру үшін көптеген әлсіз кездесулерді қажет етеді.

Қолданылу түрлері мен мысалдар

Жұлдыздық динамика негізінен жұлдыздық жүйелер мен галактикалар ішіндегі масса таралуын зерттеу үшін қолданылады. Жұлдыздық динамиканы шоғырларға қолданудың алғашқы мысалдарының бірі – Альберт Эйнштейннің 1921 жылғы мақаласы, онда вириал теоремасы шар тәрізді жұлдыз шоғырларына қолданылған, сондай-ақ Фриц Цвиккидің 1933 жылғы мақаласы, ол вириал теоремасын Кома шоғырына қатысты қолданды, бұл ғаламдағы қара материя идеясының бастапқы көрінісі болды. Джинс теңдеулері Құс жолы галактикасындағы жұлдыздар қозғалысының әртүрлі бақылау деректерін түсінуге пайдаланылды. Мысалы, Ян Оорт Джинс теңдеулерін күн жүйесінің маңындағы орташа зат тығыздығын анықтау үшін қолданды, ал асимметриялық дрейф тұжырымы цилиндрлік координаттардағы Джинс теңдеулерін зерттеу нәтижесінде пайда болды. Жұлдыздық динамика галактиканың қалыптасуы мен эволюциясының құрылымы туралы түсінік береді. Динамикалық модельдер мен бақылаулар эллипстік галактикалардың үш өсті құрылымын зерттеу үшін қолданылады және галактикалардың бірігуінен спиральді галактикалардың пайда болатынын көрсетеді. Жұлдыздық динамикалық модельдер белсенді галактикалық ядролардың және олардың қара тесіктерінің эволюциясын зерттеуге, сондай-ақ галактикалардағы қара материяның массалық таралуын бағалауға қолданылады.

Пуассон теңдеуінен қалың дискі тығыздығы

Цилиндрлік Пуассон теңдеуіне радиус бойынша кемитін және шекарадан тыс нөлге тең, ал шекара ішінде z бағыты бойынша біркелкі болатын шартты енгізу керек.