Simulace astrofyzikálního mezihvězdného plynu

Umělé artefakty

10. května 2004

Co je to artefakt? Slovník Larousse nám říká, že jde o náhodnou nebo umělou strukturu, která se objeví při experimentu nebo pozorování. Můžeme říci, že počítačové numerické simulace, které jsou „výpočtovými experimenty“, znamenají neustálý boj proti artefaktům. Když se snažíme simulovat, znamená to, že se snažíme znovu vytvořit nějaký jev pomocí „něčeho jiného“, jiného systému, analogického. Aerodynamik se potýká s podobným problémem. Hustý nebo horký plyn se chová jinak než řídký nebo chladný plyn. V mechanice tekutin byly tyto jevy buď dokonale studovány, nebo alespoň studovány s maximální možnou přesností podle kritérií podobnosti (např. Reynoldsovo číslo). Avšak i přes desítky let experimentů měli výrobci letadel někdy velké překvapení. Například při stavbě velkého vojenského letadla Lookheed Galaxy se ukázalo, že je citlivé na jev aerodynamického kmitání: začalo se... kývat křídly, což žádné větrné tunely ani numerické simulace neodhalily. Tyto kmity mohly být katastrofální. Skutečně se životnost konstrukce letadla značně ovlivňuje jevem vyčerpání materiálu. Místo úpravy konstrukce křídel bylo rozhodnuto přidat systém řízení, který pomocí výškových křídel potlačuje tento pohyb „kmitání“. Podobný problém měla americká kosmická loď. Zde byly problémy nejvýznamnější. Skutečně konstruktéři museli zaručit její letové vlastnosti ve všech vrstvách atmosféry, které se pohybovaly od nejřidšího až po nej hustší vzduch. V těchto podmínkách se posouvá „těžiště tahu“. Při prvním letu se téměř stalo katastrofální. Po přijetí, jak se zdálo, standardního zatížení se kosmická loď náhle stala nákladnou, až pilot musel držet řízení v břiše. Letadlo se skoro obrátilo na záda, což způsobilo poškození dlaždic na horní části, které nebyly navrženy pro odolnost proti zahřívání. Letadlo se znovu stabilizovalo jen o málo. Co udělala NASA? Místo přepracování stroje bylo rozhodnuto všechna zatížení umístit... dozadu. Pokud se podíváte na místo, kde jsou upevněny družice a zátěže, je vždy plné zezadu. Tento fakt je velmi málo známý. NASA se o tom samozřejmě nesvěřila. Zjistil jsem to od testovacího pilotu.

V astrofyzice nemáme možnost porovnat systém, který pozorujeme na obrazovce, s přímým pozorováním. Astronomicky jsme stále v nekonečném zpomaleném obrazu. Problém je tedy podstatně složitý. Navíc nezměříme všechno. V části o kinetické teorii plynů jsme mluvili o struktuře prostředí „ve fázovém prostoru rychlostí“. Přidali jsme, že k této informaci máme přístup pouze v okolí Slunce a nemáme důvod očekávat, že by to brzy změnilo.

S časem budou měření výrazně zjemněná. Chybové úseky se zmenší. Ale vezměme například spirální galaxii. Mluvíme o „křivce rychlosti“. Co tím myslíme?

Měříme radiální složku rychlosti prostřednictvím Dopplerova jevu. Předpokládáme-li, že galaxie je téměř rovinná a pohyby hmotných plynů jsou téměř kruhové, odvodíme křivku rychlosti plynu obíhajícího v gravitačním poli, které je tvořeno v 90 % hvězdami (alespoň tak jsme předpokládali dlouhou dobu). Proč předpokládáme, že dráhy hmotných plynů jsou téměř kruhové? Protože rozdíly rychlostí mezi nimi (ekvivalentní rychlosti tepelného pohybu) jsou malé, řádově jedno kilometr za sekundu. Malé ve srovnání s odhadem rychlosti rotace. Astronom bude vždy mluvit o „zbytkové rychlosti“, tedy o rychlosti, která zůstane po odečtení průměrného pohybu, což odpovídá „makroskopickému pohybu“.

Krátce odbočka: Z čeho se skládá mezihvězdný plyn? Jedná se o extrémně složité prostředí, kde najdeme „clouky“, které obvykle obsahují sto tisíc hmotností Slunce, a celý spektrum clouků s nižší hmotností. Jedná se tedy o „směs druhů“, ve smyslu kinetické teorie plynů. Ale tam, kde se věci komplikují, je to, že tyto hmotné plyny nejsou stabilní. Narození mladých hvězd, které vysílají ultrafialové záření a ohřívají tento plyn. Ještě násilnější je jev supernovy, jehož působící oblast dosahuje stovky světelných let: tloušťka plynové „příčky“. Odhadujeme rychlost výbuchů těchto hmotných hvězd na jednu za století. To je velmi rychlý temp na škále jedné rotace galaxie kolem své osy. Naše galaxie se otočí jednou za sto milionů let. To znamená milion supernov za... jeden oběh! Tyto supernovy výrazně ovlivňují místní strukturu mezihvězdného plynu. Ve své doktorské práci (1972) jsem porovnal mezihvězdný plyn s dekou naplněnou peřím, ve které explodují malé píšťalky v rychlém tempu, udržující chaos a úroveň energie plynu.

Jak modelovat, simulovat všechno toto? Nejenže v okamžikovém pohledu mezihvězdný plyn vypadá jako směs clouků, jejichž hmotnosti jsou rozloženy podle velmi širokého spektra, ale tyto clouky nevydrží. Jsou rozptýleny, vypařeny a pak se znovu tvoří trochu dál, v tempu, které neumíme přesně odhadnout, protože nežijeme dost dlouho. Jsme trochu jako hmyz, jehož životní doba trvá jen několik setin sekundy, pozorující cumulovy oblaky a snažící se pochopit meteorologické mechanismy. Srovnání mezi mezihvězdnými a oblačnými clouky není tak špatné.

V současnosti dokážeme spravovat několik tisíc bodů. Možná více v blízké budoucnosti. Ale zvládneme-li dostatek bodů hmoty, abychom mohli simulovat vznik hvězd a ohřívání hmoty mezihvězdného plynu? To je stále velmi problematické. Budeme muset zůstat zdrženliví. To nás bude vždy nutit k určitému zjednodušení, více nebo méně oprávněnému. Říká se, že se rozhoduje o stromu podle plodů. My budeme moci dělat jen to. Počítač samotný je nic bez pohledu na mechanismy, intuitivního pohledu. Tento pohled chybí nové generaci astrofyziků. V dokumentu předloženém v časopise Ciel et Espace říkali šampioni simulací: máme nástroje, ale nemáme „rovnice“. Tímto výrokem přiznali, že nemají žádný pohled na věci, žádný směrový pohled, žádnou skutečnou myšlenku k otestování, jen velké výpočetní prostředky, které nevědí opravdu použít.

Na základě simulace musíte mít myšlenky k otestování. Je to opravdový dialog mezi člověkem a strojem, velmi zajímavý. Podívejte se například na aktuální výsledek práce Frédérica Baudemonta:

Je to hezké, je to úžasné, ale má to význam? Řekneme, že je to povzbuzující, velmi povzbuzující, stejně jako byly simulace, které jsem dělal v roce 92 s jiným Frédéricem. Jde o 2D, nikoli 3D. Jedná se o „plochý plyn“. Můžeme doufat, že „galaktický proud“ bude mít dobrý nápad chovat se podobně, když jeho komponenty získají třetí stupeň volnosti ve směru z. Můžeme doufat, ale nemůžeme to s jistotou prohlásit, dokud to neověříme. Navíc se toto spirálově otáčí jediná populace tvořená identickými hmotami. Ve skutečnosti by galaxie měla být modelována alespoň dvěma podpopulacemi (představující plyn a hvězdy). Baudemont by to mohl provést s dvěma tisíci body a já mu vysvětlím, jak postupovat.

Zjevují se krásné spirálové pásky. V skutečné galaxii je spirální struktura především ovlivňuje hmotu plynu, kde je jev velmi nelineární. Nejde o nějaký perturbační mechanismus, daleko od toho. Kontrast hustoty mezi ramenem a meziramenným prostorem může být řádově 5. Zde jde o hustotu hmoty ve formě plynu. Hmoty hvězd také trpí touto spirální perturbací, ale v menší míře. Jak to probíhá? Zda se perturbace vzniká v hvězdném prostředí a pak způsobuje velmi silnou nelineární amplifikaci v plynu, nebo naopak? O tom nevíme. Můžeme jen spekulovat. Já osobně si myslím, že pokud uměle udržíme hvězdné prostředí v axiálně symetrické konfiguraci, plyn bude zásoben spirální perturbací, nebo kruhovou, nebo ještě složitější. Ale to bude třeba dokázat. Krátká poznámka na okraj. Na fotografiích jsou spirální struktury dobře viditelné. Víte proč? Protože jsou místem vzniku mladých hvězd, které vysílají ultrafialové záření, které vzrušuje plyn a reaguje tím na fluorescenci. Proč tyto hvězdy vzrušují pouze plyn v spirální struktuře? Odpověď je zábavná. Migrace hvězd je rychlá, několik kilometrů za sekundu, a tak se snaží opustit tuto strukturu. Ale během toho zraly. Nejsou už mladé hvězdy a nevysílají více ultrafialové záření.

Zdá se, že zde je materiál na řadu doktorských prací. Je velmi škoda, že během mé vědecké kariéry jsem nemohl vést mnoho výzkumů. Ale tak to je, a teď je to trochu pozdě. Jsem ve důchodu. Motivace vědeckého prostředí jsou často velmi daleko od vědeckého zájmu. Měl jsem jen jednoho doktoranda. Pod mé vedení dosáhl vědeckých výsledků, které byly bezprecedentní. Nikdy jsem neměl chuť chodit po stopách ostatních. Známé cesty mě nudily. Vytvořili jsme vědu z ničeho, tedy modelovali jsme anihilaci rázových vln pomocí Laplaceova pole sil. Publikovali jsme v recenzovaných časopisech, představili práce na konferencích, vedli k fascinujícímu výzkumnému projektu zaměřenému na experimentální potvrzení těchto výpočtů, při relativně nízké nákladové úrovni. Ale tyto práce narazily na silný útok. Protože letět bez výbuchu připomínal chování některých objektů, které vidělo mnoho svědků. Nechtěli „vytáhnout kočku z pytle“, jak říkají anglosaským. Ještě před dvaceti lety si pamatuji, jak jsem slyšel Bernard Fontaine, kterého jsem znal jako mladého studenta a který se později stal, pokud vím, ředitelem oddělení „Fyzika pro inženýry“ na CNRS: „Protože ten chlapec pracoval s tebou, je vyloučeno, že by mohl pokračovat ve výzkumu, získat místo nebo jakoukoli pozici v laboratoři.“

Za pět let úsilí a vzdělání se člověk dostane k lepšímu výsledku.

Vězte jednu věc: za konceptem dvojitého vesmíru, skutečnou změnou paradigmatu, se skrývá mnohem více než vysvětlení široké škály kosmických jevů. Pravděpodobně je to důvod, proč astrofyzici byli tak rezervovaní, když se měli posadit na takový včelí hnízdo.

Téma tohoto souboru byl artefakt. Ukažu vám příklad. Když jsme v devadesátých letech prováděli naše simulace, okamžitě se objevil problém s hraničními podmínkami. V našem výpočtovém prostoru neexistuje nekonečno. Chtěli jsme studovat dynamické tření mezi 2D galaxií a prostředím hmoty, které je dvojčatná, odpudivá, ale samo sebe přitahující, rozprostírající se teoreticky až do nekonečna. Řešení, které jsem si vymyslel, spočívalo v duplikaci tohoto výpočtového prostoru podle pravidelného dlaždění. V podstatě jsme studovali ne nejednu izolovanou galaxii, ale nekonečně mnoho galaxií, které opakují stejné chování, stejný vzor s určitou prostorovou periodou. Technicky to znamenalo předpokládat, že částice umístěné v jednom z těchto „dlaždic“ jsou citlivé pouze na působení částic umístěných v obdélníku. Podívejte se níže.

Pro ty, kdo umí vidět, to znamenalo také uzavření prostoru podle „plochého, eukleidovského toru“:

Uzavření výpočtového prostoru podle toru

Dával jsem Landsheatu obtížně sestavené počáteční podmínky pomocí velmi složité analytické řešení z nějaké dvourozměrné tenzorové mechaniky tekutin, kterou jsem musel vytvořit pro potřeby. Tyto počáteční podmínky odpovídají předposlednímu obrázku. Měli jsme hustoty, které popisovaly něco jako rotující centrální hrudku a uzavírací prstenec, který odpovídal něčemu takovému.

r: hustota hmoty, r: hustota dvojčatné hmoty*

Byli jsme velmi spokojeni, že jsme získali krásnou, stabilní spirálu, která se zachovala po obrovském poč