محاكاة فلكية لغاز المجرة بين النجوم
الآثار الجانبية
10 مايو 2004
ما هو "الآثار الجانبية"؟ يعلّمنا لاروسي أنّه هي بنية عرضية أو صناعية تظهر أثناء تجربة أو ملاحظة. يمكن القول إن المحاكاة الرقمية على الحاسوب، التي تمثل "تجارب حسابية"، تتطلب ملاحقة دائمة للآثار الجانبية. عندما نسعى إلى محاكاة، فهذا يعني أننا نسعى لاستنساخ ظاهرة ما باستخدام "شيء آخر"، أي نظامًا آخر مشابهًا. يواجه مهندس الديناميكا الهوائية مشكلة مشابهة. فالغاز الكثيف أو الساخن لا يتصرف بنفس الطريقة التي يتصرف بها الغاز المتبقي أو البارد. في ميكانيكا السوائل، تم دراسة هذه الظواهر، وإن لم تكن مثالية تمامًا، فقد تم دراستها بأقصى درجات الدقة الممكنة وفقًا لمعايير التشابه (مثل عدد رينولدز). ومع ذلك، وعلى الرغم من عقود من التجارب، أحيانًا ما واجه المصممون مفاجآت كبيرة. على سبيل المثال، عندما بُنيت الطائرة العسكرية الضخمة "لوكهيد جالاكسي"، تبين أنها حساسة لظاهرة تُسمى "الاهتزاز الهوائي": بدأت في الاهتزاز بجناحيها، وهو ما لم تُظهره تجارب الممرات الهوائية أو المحاكاة الرقمية أبدًا. وقد تكون هذه الاهتزازات كارثية، لأن تآكل هيكل الطائرة يرتبط بشكل أساسي بظاهرة الإرهاق في المواد. بدلًا من تعديل هيكل الأجنحة، تم اختيار تزويد الطائرة بنظام رقابي يُبطئ هذا الاهتزاز باستخدام الزعانف. مشكلة مماثلة واجهتها المكوك الفضائي الأمريكي، التي كانت تُشكل أصعب التحديات. فالمصممون كان عليهم التنبؤ بخصائص الطيران في جميع طبقات الهواء التي تمر بها، والتي تتراوح من أخفّ هواء إلى أكثفها. في هذه الظروف، يتحرك "مركز الدفع". وفي أول رحلة، اقترب المكوك من الكارثة. فعندما تلقى ما اعتبر تحميلًا قياسيًا، تبين أن المكوك أصبح سريع التحول إلى الأسفل، لدرجة أن الطيار اضطر إلى دفع المقود إلى صدره. ارتفع المكوك تقريبًا على ظهره، مما تسبب في أضرار على البلاط في الجزء العلوي، الذي لم يكن مصممًا أبدًا لتحمل الحرارة. استعاد المكوك توازنه بصعوبة. ما فعلته ناسا؟ بدلًا من إعادة تصميم الطائرة، اختارت وضع كل الأحمال ... في الخلف. إذا نظرت إلى مكان ربط الأقمار الصناعية والأحمال، فستجد أن كلها في الخلف. هذه الحقيقة غير معروفة جدًا. لم تفخر ناسا بها على الإطلاق. عرفتها من طيار تجريبي.
في الفيزياء الفلكية، لا نملك إمكانية مقارنة الأنظمة التي نراها تتطور على الشاشة بملاحظة مباشرة. فبشكل فلكي، نحن في حالة توقف دائم. وبالتالي، المشكلة بطبيعتها معقدة. علاوة على ذلك، لا نقيس كل شيء. تحدثنا في الجزء الخاص بالنظرية الحركية للغازات عن هيكل الوسط "في فضاء السرعة". وأضفنا أننا نملك وصولًا لهذه المعلومات فقط بالقرب من الشمس، ولا ينبغي أن نتوقع أن يتغير هذا الوضع قريبًا.
مع مرور الزمن، ستُحسّن القياسات بشكل كبير. وانخفضت شرائح الخطأ. لكن خذ مثالًا على مجرة حلزونية. نتحدث عن "منحنى السرعة". ما المقصود بذلك؟
نقيس المكون الشعاعي للسرعة، من خلال تأثير دوبلر. ثم نفترض أن المجرة شبه مسطحة، وأن حركة الكتلة الغازية شبه دائرية، ونستنتج من ذلك منحنى سرعة الغاز المداري في مجال جاذبية يُشكل 90٪ من تأثيراته النجوم (على الأقل هذا ما افترضناه لفترة طويلة). لماذا نفترض أن مسارات الكتلة الغازية شبه دائرية؟ لأن الفروقات في السرعة بينها (وهي تُعادل سرعة الاهتزاز الحراري) صغيرة جدًا، بحدود كيلومتر واحد في الثانية. صغيرة جدًا مقارنة بسرعة الدوران المقدرة. سيتحدث الفلكي دائمًا عن "السرعة المتبقية"، أي ما يبقى بعد طرح الحركة المتوسطة، والتي تُعادل "حركة ماكروسكوبية".
ملاحظة جانبية: ما يتكون منه الغاز بين النجوم؟ إنه وسط معقد جدًا، حيث توجد "سُحب" تمثل عادةً مئات الآلاف من الكتل الشمسية، ثم طيف كامل من السحب ذات كتلة أقل. إذًا، هو "مزيج من الأنواع"، بمعنى النظرية الحركية للغازات. ولكن ما يُعقّد الأمور هو أن هذه الكتل الغازية ليست مستقرة. فهي تُولّد نجومًا شابة تُطلق أشعة فوق بنفسجية، وتُسخّن هذا الغاز. أما الظاهرة الأكثر قوة فهي انفجار السوبرنوفا، الذي يصل نصف قطر تأثيره إلى مئات السنين الضوئية: أي سماكة الغلاف الغازي. نُقدّر معدل انفجار هذه النجوم الكبيرة بواحدة في القرن. إنها معدل سريع جدًا مقارنة بدوران المجرة على نفسها. فالمجرة تُكمل دورة واحدة كل مئة مليون سنة. هذا يعني مليون انفجار سوبرنوفا في كل دورة واحدة! تؤثر هذه الانفجارات بشكل كبير على البنية المحلية للغاز بين النجوم. في أطروحتي للدكتوراه (1972)، قارنت الغاز بين النجوم ببطانية مليئة بريش، تنفجر فيه قنابل صغيرة بسرعة، مما يُحافظ على الفوضى ويرفع مستوى الطاقة في الغاز.
كيف نُحاكي ونُمكّن من محاكاة كل هذا؟ ليس فقط أن الغاز بين النجوم، في لحظة معينة، يبدو وكأنه مزيج من السحب التي تتراوح كتلها في طيف واسع، بل إن هذه السحب لا تدوم. فهي تُتَفَتِّت وتُبَلَّغ، ثم تُعاد تكوينها لاحقًا في مكان آخر، بسرعة لا نستطيع قياسها بدقة، لأننا لا نعيش ما يكفيًا طويلاً. نحن كائنات تشبه الحشرات التي تعيش لفترة لا تتجاوز جزءًا من الثانية، وننظر إلى السحب الممطرة ونحاول فهم آليات الطقس. المقارنة بين السحب بين النجوم والسحب في السماء ليست سيئة جدًا.
في الوقت الحالي، نستطيع إدارة آلاف النقاط فقط. ربما أكثر قليلاً في المستقبل القريب. لكن هل سنتمكن من إدارة عدد كافٍ من النقاط الكتلية لمحاكاة تكوّن النجوم، وتسخين كتل الغاز بين النجوم؟ لا يزال هذا أمرًا مثيرًا للجدل. سيتوجب علينا أن نكون متواضعين. وهذا سيجبرنا دائمًا على تبسيط الأمور، بشكل أكثر أو أقل تبريرًا. يقال إنك تُقَدّر الشجرة من ثمارها. نحن لن نتمكن من فعل شيء آخر. فالآلة، بحد ذاتها، لا شيء بدون رؤية للآليات، ورؤية حسية. هذه الرؤية تفتقر إلى الجيل الجديد من الفلكيين. في ملف عُرض في مجلة "السماء والفضاء"، قال مُحَدِّثو المحاكاة: لدينا الأدوات، لكننا لا نملك "المعادلات". من خلال هذه الجملة، اعترفوا بأنهم لا يملكون رؤية واضحة، ولا رؤية توجيهية، ولا فكرة حقيقية للتجربة، بل فقط وسائل حسابية ضخمة لا يعرفون كيف يستخدمونها بشكل فعّال.
في أساس أي عمل محاكاة، يجب أن تكون لدينا أفكار نختبرها. إنها محادثة حقيقية بين الإنسان والآلة، ومثيرة جدًا. انظر مثلاً إلى النتيجة الحالية لعمل فريديريك بودمون:
جميل، مذهل، لكن هل له معنى؟ سنقول إنه مُحفّز، مُحفّز جدًا، كما كانت المحاكاة التي قمت بها في 1992 مع فريديريك آخر. إنها محاكاة ثنائية الأبعاد، وليس ثلاثية. إنها "غاز مسطح". يمكننا أن نتمنى أن يُظهر "السوائل المجرية" الفكرة الجيدة بأنها ستتصرف بشكل مشابه عندما نزود مكوناتها...