Astrophysikalische Simulation von interstellarem Gas

Artefakte

10. Mai 2004

Was ist ein Artefakt? Der Larousse erklärt uns, dass es sich um eine zufällige oder künstliche Struktur handelt, die bei einer Experimentation oder Beobachtung auftaucht. Man kann sagen, dass numerische Simulationen am Computer, die „Rechenexperimente“ sind, eine ständige Jagd nach Artefakten beinhalten. Wenn man etwas simulieren möchte, bedeutet das, dass man sich bemüht, ein Phänomen durch „etwas anderes“, ein anderes analoges System, nachzuahmen. Ein Aerodynamiker stößt auf ein solches Problem. Ein dichter oder heißer Gasstrom verhält sich nicht wie ein verdünnter oder kalter. In der Fluiddynamik wurden diese Phänomene zwar nicht perfekt untersucht, aber zumindest mit der größtmöglichen Genauigkeit unter Verwendung von Ähnlichkeitskriterien (wie der Reynolds-Zahl) erforscht. Doch trotz Jahrzehnten von Experimenten gab es für Flugzeugbauer manchmal überraschende Ereignisse. So zum Beispiel, als der große militärische Transportflieger Lookheed Galaxy gebaut wurde: Er erwies sich als empfindlich gegenüber einem Phänomen der Aeroelastizität – er begann plötzlich, mit den Flügeln zu schlagen, was weder Windkanalversuche noch numerische Simulationen vorhergesehen hatten. Diese Schwingungen konnten katastrophal werden. Denn die Ermüdung von Flugzeugstrukturen hängt im Wesentlichen von der Materialermüdung ab. Anstatt die Flügelstruktur zu ändern, entschied man sich stattdessen, ein Regelungssystem einzubauen, das mithilfe von Höhenruderbewegungen diese „Flutter“-Bewegung unterdrückte. Ähnliche Probleme gab es bei der amerikanischen Raumfähre, die die größten Herausforderungen stellte. Denn die Konstrukteure mussten die Flugeigenschaften in allen Luftschichten berücksichtigen, die von extrem verdünnter bis hin zu dichter Luft reichten. Unter diesen Bedingungen verschiebt sich der Schwerpunkt der Auftriebskraft. Beim ersten Flug drohte fast eine Katastrophe: Nachdem die Raumfähre das erwartete Standardlastprofil erhalten hatte, zeigte sie plötzlich eine starke Neigung nach vorn, sodass der Pilot das Steuer in den Bauch drücken musste. Das Fahrzeug ging fast auf den Rücken, was zu Schäden an den oberen Fliesen führte, die ursprünglich nicht dafür ausgelegt waren, Hitze zu ertragen. Die Raumfähre kehrte erst knapp in ihre Fluglage zurück. Was tat die NASA? Anstatt das Fahrzeug neu zu entwerfen, entschied man sich dafür, alle Lasten nach hinten zu verlegen. Wenn Sie den Ort betrachten, an dem Satelliten und Lasten befestigt werden, befinden sich diese stets weit hinten. Diese Tatsache ist sehr wenig bekannt. Die NASA hat sich natürlich nicht damit rühmen. Ich erfuhr davon von einem Testpiloten.

In der Astrophysik haben wir keine Möglichkeit, die Systeme, die wir auf einem Bildschirm beobachten, mit direkten Beobachtungen zu vergleichen. Astronomisch sind wir ständig in einer stummen Pause. Das Problem ist daher grundsätzlich schwierig. Außerdem messen wir nicht alles. In der Theorie der kinetischen Gastheorie wurde bereits auf die Struktur des Mediums im „Geschwindigkeitsraum“ hingewiesen. Wir fügten hinzu, dass wir nur Zugang zu dieser Information im Bereich der Sonne haben, und es ist unwahrscheinlich, dass sich das in absehbarer Zeit ändern wird.

Mit der Zeit werden die Messungen erheblich präzisiert werden. Die Fehlerbalken werden kleiner. Aber nehmen wir zum Beispiel eine Spiralgalaxie. Man spricht von einer „Geschwindigkeitskurve“. Was bedeutet das?

Wir messen die radiale Komponente der Geschwindigkeit mittels Dopplereffekt. Unter der Annahme, dass die Galaxie nahezu eben ist und die Bewegungen der gasförmigen Massen nahezu kreisförmig sind, leiten wir daraus die Geschwindigkeitskurve des Gases ab, das in einem Gravitationsfeld umläuft, das zu 90 % von den Sternen erzeugt wird (zumindest wurde das lange Zeit so angenommen). Warum nehmen wir an, dass die Bahnen der gasförmigen Massen nahezu kreisförmig sind? Weil die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen ihnen (entsprechend einer thermischen Bewegung) gering sind, etwa 1 km/s. Dies ist gering im Vergleich zur Rotationsgeschwindigkeit. Der Astronom spricht daher stets von der „restlichen Geschwindigkeit“, jener Geschwindigkeit, die übrig bleibt, nachdem man die mittlere Bewegung abgezogen hat, die einem „makroskopischen Bewegungszustand“ entspricht.

Kurze Ablenkung: Aus was besteht das interstellare Gas? Es ist ein extrem komplexes Medium, in dem sich „Wolken“ finden, die gewöhnlich hunderttausend Sonnenmassen umfassen, sowie ein ganzes Spektrum von Wolken mit geringerer Masse. Es handelt sich also um ein „Gemisch von Spezies“ im Sinne der kinetischen Gastheorie. Doch dort, wo die Dinge kompliziert werden, ist, dass diese gasförmigen Massen nicht stabil sind. Sie erzeugen junge Sterne, die UV-Strahlung aussenden und das Gas erwärmen. Noch gewaltiger ist der Effekt einer Supernova, deren Wirkung bis zu hundert Lichtjahren reicht – der Dicke der gasförmigen Schicht. Man schätzt die Explosionsrate massereicher Sterne auf einen pro Jahrhundert. Das ist ein extrem schneller Rhythmus im Vergleich zur Rotationsperiode einer Galaxie, die eine Umdrehung in hundert Millionen Jahren vollzieht. Das bedeutet eine Million Supernovae pro Umdrehung! Diese Supernovae beeinflussen erheblich die lokale Struktur des interstellaren Gases. In meiner Doktorarbeit (1972) hatte ich das interstellare Gas mit einer Federbett verglichen, das mit Federn gefüllt ist, in dem ständig kleine Knallkörper explodieren, mit hoher Frequenz, wodurch Unordnung und hohe Energieniveau des Gases aufrechterhalten werden.

Wie kann man all das modellieren und simulieren? Nicht nur, dass das interstellare Gas in einer Momentaufnahme wie ein Gemisch von Wolken aussieht, deren Massen über ein sehr breites Spektrum verteilt sind, sondern diese Wolken bestehen nicht dauerhaft. Sie werden zerstreut, verdampfen und bilden sich etwas weiter entfernt wieder neu – mit einem Rhythmus, den wir nicht genau bestimmen können, weil wir nicht lange genug leben. Wir sind ein wenig wie Insekten, deren Lebensdauer nur Bruchteile einer Sekunde beträgt, die Cumulus-Wolken beobachten und versuchen, meteorologische Mechanismen zu verstehen. Der Vergleich zwischen interstellaren Wolken und Erdwolken ist gar nicht so schlecht.

Derzeit können wir einige Tausend Punkte verarbeiten. Vielleicht mehr in naher Zukunft. Aber werden wir jemals genügend Massenpunkte verarbeiten können, um die Sternentstehung und die Erwärmung des interstellaren Gases zu simulieren? Das bleibt alles sehr problematisch. Wir müssen bescheiden bleiben. Das zwingt uns immer wieder zu einer gewissen Vereinfachung, mehr oder weniger gerechtfertigt. Man sagt, man beurteile den Baum an seinen Früchten. Wir können nur das tun. Die Maschine ist an sich nichts ohne eine Vision der Mechanismen, eine intuitive Vorstellung. Diese fehlt der neuen Generation von Astrophysikern. In einem Dokument, das in Ciel et Espace veröffentlicht wurde, sagten die führenden Simulationsexperten: „Wir haben die Instrumente, aber wir haben nicht die Gleichungen.“ Mit diesen Worten gestanden sie, dass sie keine Vorstellung von den Dingen hatten, keine Leitidee, keine echte Hypothese zu testen – nur riesige Rechenleistung, die sie nicht wirklich nutzen konnten.

Grundlage einer Simulation ist immer eine Idee, die getestet werden soll. Es ist ein echter Dialog zwischen Mensch und Maschine, sehr interessant. Betrachten Sie zum Beispiel das aktuelle Ergebnis der Arbeit von Frédéric Baudemont:

Es ist schön, beeindruckend, aber ist es auch bedeutungsvoll? Wir sagen, es ist ermutigend, sehr ermutigend – genau wie die Simulationen, die ich 1992 mit einem anderen Frédéric durchgeführt hatte. Es handelt sich um 2D und nicht um 3D. Es ist ein „flaches Gas“. Man kann hoffen, dass der „galaktische Flüssigkeitsstrom“ die richtige Idee hat, sich auch bei einer Ausstattung seiner Komponenten…