Simulación de artefactos en astrofísica: gas interestelar

Artefactos

10 de mayo de 2004

¿Qué es un artefacto? El Larousse nos dice que se trata de una estructura accidental o artificial que aparece durante una experiencia o una observación. Podemos decir que las simulaciones numéricas en ordenador, que son "experimentos de cálculo", implican una búsqueda constante de artefactos. Cuando uno intenta simular, significa que se esfuerza por reproducir un fenómeno con "algo diferente", un sistema análogo. Un aerodinamista se enfrenta a un problema de este tipo. Un gas denso o caliente no se comporta de la misma manera que un gas enrarecido o frío. En mecánica de fluidos, estos fenómenos han sido estudiados, aunque no perfectamente, al menos con la mayor precisión posible según criterios de semejanza (como el número de Reynolds). Pero a pesar de décadas de experimentos, los diseñadores de aviones a veces han tenido sorpresas desagradables. Por ejemplo, cuando se construyó el gran avión militar Lookheed Galaxy, se descubrió que era sensible a un fenómeno de aeroelasticidad: comenzó a... batir las alas, algo que ni los ensayos en túnel de viento ni las simulaciones numéricas habían revelado. Estas oscilaciones podrían haberse revelado catastróficas. En efecto, el envejecimiento de las estructuras de un avión está esencialmente ligado a un fenómeno de fatiga de los materiales. En lugar de modificar la estructura de las alas de esta aeronave, se prefirió dotarla de un sistema de control que contrarrestara mediante ailerones este movimiento de "flutter". Problema análogo se presentó con la nave espacial estadounidense, que planteaba los problemas más agudos. En efecto, los diseñadores debían prever sus cualidades de vuelo en todas las capas de aire que atravesaba, desde el aire más enrarecido hasta el más denso. En estas condiciones, el "centro de empuje" se desplazaba. En su primer vuelo, se estuvo muy cerca de la catástrofe. Al recibir lo que se consideraba una carga estándar, la nave se reveló de repente muy inclinada, hasta el punto de que el piloto tuvo que empujar el manillar hacia el pecho. La aeronave pasó casi boca arriba, lo que provocó daños en las baldosas de la parte superior, absolutamente no diseñadas para soportar el calentamiento. La nave solo recuperó su posición de vuelo por un pelo. ¿Qué hizo la NASA? En lugar de rediseñar la nave, prefirieron colocar todas las cargas... hacia atrás. Si observas dónde se amarran los satélites y las cargas, siempre está lleno hacia atrás. Este hecho es poco conocido. La NASA, desde luego, no se lo ha jactado. Lo supe por un piloto de pruebas.

En astrofísica, no tenemos la posibilidad de comparar los sistemas que veremos evolucionar en una pantalla con una observación directa. Astronómicamente, estamos en un perpetuo "stop-motion". El problema es, por tanto, esencialmente espinoso. Además, no medimos todo. Hemos hablado en la parte de la teoría cinética de los gases sobre la estructura del medio "en el espacio de velocidades". Añadimos que solo tenemos acceso a esta información en las proximidades del Sol, y no hay que esperar que cambie en mucho tiempo.

Con el tiempo, las mediciones se afinarán considerablemente. Los errores se reducirán. Pero tomemos, por ejemplo, una galaxia espiral. Se habla de "curva de velocidad". ¿Qué significa eso?

Medimos la componente radial de la velocidad, a través del efecto Doppler. Suponiendo luego que la galaxia es casi plana y que los movimientos de las masas gaseosas son casi circulares, deducimos la curva de velocidad del gas que orbita en un campo gravitatorio en el que el 90 % está creado por las estrellas (al menos así se supuso durante mucho tiempo). ¿Por qué suponemos que las trayectorias de las masas gaseosas son casi circulares? Porque las diferencias de velocidad entre ellas (equivalentes a una velocidad de agitación térmica) son pequeñas, del orden de un km/s. Pequeñas frente a la estimación de la velocidad de rotación. El astrónomo siempre hablará de "velocidad residual", la que queda después de restar el movimiento medio, equivalente a un "movimiento macroscópico".

Pequeña digresión: ¿de qué está formado el gas interestelar? Es un medio extremadamente complejo en el que encontraremos "nubes" que comúnmente representan cien mil masas solares, seguidas de todo un espectro de nubes de menor masa. Es, por tanto, una "mezcla de especies", en el sentido de la teoría cinética de los gases. Pero allí donde las cosas se complican es que estas masas gaseosas no son estables. Dan origen a estrellas jóvenes que emiten ultravioleta y calientan este gas. Aún más violento es el fenómeno de la supernova, cuyo radio de acción alcanza cientos de años luz: el grosor de la capa gaseosa. Se estima que el ritmo de explosión de estas estrellas masivas es de una por siglo. Es un ritmo muy rápido a escala de una rotación de la galaxia sobre sí misma. Nuestra galaxia da una vuelta cada cien millones de años. Eso hace un millón de supernovas por... vuelta. Estas supernovas alteran bastante la estructura local del gas interestelar. En mi tesis doctoral (1972) comparé el gas interestelar con una colcha llena de plumas dentro de la cual explotaran pequeñas bengalas a un ritmo rápido, manteniendo el desorden y el nivel energético del gas.

¿Cómo modelar, simular todo esto? No solo, en una visión instantánea, el gas interestelar parece una mezcla de nubes cuyas masas se distribuyen según un espectro muy amplio, sino que estas nubes no perduran. Se disipan, se evaporan, y luego se reconstruyen un poco más lejos, a un ritmo que no sabemos evaluar con precisión, por falta de vivir lo suficiente. Somos un poco como insectos cuyas vidas no duran más que algunas fracciones de segundo, contemplando cúmulos y tratando de comprender mecanismos meteorológicos. La comparación entre las nubes interestelares y las nubes del cielo no es tan mala.

Actualmente, podemos manejar algunos miles de puntos. Quizás más en un futuro cercano. Pero ¿podremos manejar suficientes puntos-masa para simular la formación de estrellas, el calentamiento de las masas de gas interestelar? Todo esto sigue siendo muy problemático. Tendremos que mantenernos modestos. Eso nos obligará siempre a una cierta simplificación, más o menos justificada. Se dice que se juzga al árbol por sus frutos. Solo podremos hacer eso. La máquina, por sí sola, no es nada sin una visión de los mecanismos, una visión intuitiva. Esta visión les falta a la nueva generación de astrofísicos. En un dossier presentado en Ciel et Espace, los campeones de las simulaciones decían: tenemos los instrumentos, pero no tenemos "las ecuaciones". A través de esta frase, admitían que no tenían ninguna visión de las cosas, ninguna guía directriz, ninguna verdadera idea que probar, solo grandes medios de cálculo que no sabían realmente utilizar.

En la base de un trabajo de simulación debe haber ideas que probar. Es un verdadero diálogo entre el hombre y la máquina, muy interesante. Por ejemplo, miremos el resultado actual del trabajo de Frédéric Baudemont:

Es bonito, es espectacular, pero ¿es significativo? Decimos que es alentador, muy alentador, como lo eran las simulaciones que hice en 1992 con otro Frédéric. Se trata de 2D, no de 3D. Es un "gas plano". Podemos esperar que el "fluido galáctico" tenga la buena idea de comportarse de forma similar cuando dotemos sus componentes...