סימולציה אסטרופיזיקלית של גז בין כוכבי

אַרְטִיפַקְטִים

10 במאי 2004

מהו ארטיפקט? למילון לארוס, זהו מבנה מקרי או מלאכותי שמופיע במהלך ניסוי או תצפית. ניתן לומר שסימולציות מספריות על מחשב, שמהו "ניסויי חישוב", כוללות חיפוש מתמיד אחר ארטיפקטים. כאשר אנו מנסים לסימולציה, זה אומר שאנחנו מנסים להחזיר תופעה באמצעות "משהו אחר", מערכת אחרת, אנלוגית. אדריכל אירודינמי יתמודד עם בעיה כזו. גז צפוף או חם אינו מתנהג כמו גז דליל או קר. במכניקה של נוזלים התופעות הללו הושוו לא רק באופן מושלם, אלא לפחות בצורה המדויקת ביותר האפשרית לפי קריטריונים של דמיון (כמו מספר ריינולדס). אך גם לאחר עשורים של ניסויים, יצרני מטוסים有时 נתקלו בתרומות נדהמות. לדוגמה, כשבנוי המטוס הגדול הצבאי "לוקהיד גלקסיה", התברר שהוא ניחן ברגישות לظاهرة של אירודינמיקה: הוא התחיל לרטוט את כנפיו, מה שניסויי הטיילת והסימולציות המספריות לא גילו כלל. התנודות האלה יכולות להפוך לكارתסטרופיות. בפועל, גילוי הפסולת של מבנים של מטוס תלוי בעיקר בظاهرة של עומס של חומרים. במקום לשנות את המבנה של כנפי המטוס, בחרו להכניס מערכת שליטה, שמאפשרת להפחית את התנועה של "הרטוט" באמצעות אילרונים. בעיה דומה נתקלה במעבורת החלל האמריקאית, שבעיה קיצונית. בפועל, המבנה היה צריך להבטיח את תכונות הטייסת בכל שכבות האוויר שעוברות, מהאוויר הכי דליל לאטם. בתנאים אלו, "מרכז הכוח" מזיז. בטייסת הראשונה, כמעט נפלה הרס. לאחר שקבלו מה שחשבו להיות עומס סטנדרטי, התברר שהמעבורת הייתה פתאום מתנפצת, עד כדי כך שהנהג היה חייב להכניס את הידית למטה. המטוס עבר כמעט על גבו, מה שגרם לנזק ברצועות הצד התחתון, שלא נועדו להכיל חום. המטוס חזר למסלול טיסה רק ברגע האחרון. מה עשתה נאס"א? במקום לתקן את המטוס, הוחלט לשים את כל העומסים... בצד האחורי. אם תביטו בمكان שבו מתחברים לוויינים, העומסים, תמיד מוצבים בצד האחורי. עובדה זו ידועה פחות. נאס"א לא ניחמה בזה. אני למדתי על כך מטייס ניסוי.

באסטרופיזיקה אין לנו את האפשרות להשוות בין מערכות שנצפה על מסך לבין תצפית ישירה. אסטרונומית, אנו תמיד עוצרים על תמונה. לכן, הבעיה היא בסיסית קשה. בנוסף, אנו לא מודדים כלום. הוזכרה בחלק של התיאוריה הקינטית של גזים על מבנה המedium "במרחב המהירות". הוספנו שיצרנו גישה למידע זה רק בסביבת השמש, ולא נוכל להיחשף לכך בקרוב.

עם הזמן, המדידות ישתפרו בגדול. תחומי השגיאה יקטנו. אך ניקח לדוגמה גלקסיה ספירלית. מדברים על "עקומת מהירות". מה מתכוונים לכך?

אנו מודדים את המרכיב הרדיאלי של המהירות, דרך אפקט דופלר. לאחר מכן, נניח שהגלקסיה היא כמעט מישורית וההנעה של המasses הגזיות היא כמעט מעגלית, ונגזרת את עקומת המהירות של הגז המסתובב בשדה כבידה ש-90% ממנו נוצר על ידי כוכבים (לפחות כך נניח למשך זמן רב). למה מניחים שהמסלול של המasses הגזיות הוא כמעט מעגלי? כי ההבדלים במהירות בין אלה (שווים למהירות תנועה תרמית) הם קטנים, בסדר של ק"מ לשנייה. קטן בהשוואה להערכה של מהירות הסיבוב. האסטרונום תמיד ידבר על "מהירות נותרת", זו שנותרה לאחר חיסור התנועה הממוצעת, ששוות ל"תנועה מקרוסקופית".

הערה קלה: מהו הגז בין כוכבי? זהו מדרון מאוד מורכב שבו נמצאים "עננים" שמסתמכים על כ-100,000 מסות שמש, ואז ספקטרום של עננים עם מסה קטנה יותר. לכן זהו "מעין תערובת של מינים", בהקשר של התיאוריה הקינטית של גזים. אך כאן הדברים הופכים לקשה, כי המasses הגזיות אינן יציבות. הן מפיקות כוכבים צעירים שמאירים באור אולטרה סגול ומחממים את הגז. עוד יותר חמור הוא הظاهرة של סופרנובה, שרדיוס פעילות שלה מגיע ל-100 שנות אור: עובי ה"קרפ" הגזיות. מעריכים את קצב התפוצצות הכוכבים הכבדים בכ-פעם ליחידה של עשור. זהו קצב מאוד מהיר בקנה מידה של סיבוב של גלקסיה על עצמה. הגלקסיה שלנו מסתובבת פעם אחת כל 100 מיליון שנה. זה אומר מיליון סופרנובות ל... סיבוב! סופרנובות אלו מפריעות למבנה המקומי של הגז בין כוכבי. בדיסרטציית הדוקטורט שלי (1972) השוותי את הגז בין כוכבי לכרית מלא בפרחים שבו מתפוצצות פיצוצים קטנים בקצב מהיר, שמעודדים את הכאוס והרמה האנרגטית של הגז.

איך למודל, לסימולציה את כל זה? לא רק שבעין רגע, הגז בין כוכבי נראה כמו תערובת של עננים שמסותיהם מתפזרות על ספקטרום רחב, אלא גם העננים לא נמשכים. הם מתפזרים, מתאדים, ואז נוצרים שוב קצת יותר רחוק, בקצב שלא יודעים להעריך במדויק, בגלל שלא חיים מספיק זמן. אנו קצת כמו חיות קטנות שהמשך חייהם הוא רק חלק קטן של שניות, צופות באבוקס ונסו להבין מנגנונים מטאורולוגיים. השוואה בין עננים בין כוכבי לעננים בשמיים אינה רעה כל כך.

כרגע, אנו יכולים לנהל כמה אלפי נקודות. אולי יותר בקרוב. אך האם נוכל לנהל מספיק נקודות-מסה כדי לסימולציה את היווצרות כוכבים, חימום של מסות גז בין כוכבי? זה עדיין מאוד בעייתי. עלינו להישאר מודעים. זה יכריח אותנו תמיד לשקף בצורה מסוימת, יותר או פחות מוצדקת. אומרים שמדברים על העץ לפי הפירות. אנחנו נוכל לעשות רק זה. המחשב, בעצמו, אינו שום דבר ללא ראייה של המנגנונים, ראייה אינטואיטיבית. ראייה זו חסרה לדור החדש של אסטרופיזיקאים. במסמך שפורסם ב-Ciel et Espace, המובילים של הסימולציה אמרו: יש לנו את הכלים אך אין לנו "המשוואות". דרך המשפט הזה הם הוכרחו שפשוט לא היו להם ראייה על הדברים, לא היו להם ראייה מובילה, לא היו להם רעיון אמיתי לברוח, רק כוח חישוב גדול שפשוט לא ידעו איך להשתמש בו.

בבסיס עבודה של סימולציה יש צורך בדרכי ניסוי. זהו דיאלוג אמיתי בין האדם למכונה, מאוד מעניין. לדוגמה, בדקו את התוצאה הנוכחית של העבודה של פרדريك בודמונ:

זה יפה, זה מרגש, אבל האם זה משמעותי? נאמר שזה מרגש, מאוד מרגש, כמו הסימולציות שעשיתי ב-92 עם עוד פרדريك. מדובר ב-2D ולא ב-3D. זהו "גז מישורי". אפשר להניח שה"נוזל גלקטי" יקבל את הרעיון הנכון להתנהג בצורה דומה כשנוסף לו דרגה של חופש שלישית, ב-z. אפשר להניח זאת אך לא ניתן להבטיח בודאות עד שנקבל את הבדיקה. בנוסף, מה שמסתובב הוא אוכלוסייה אחת, מורכבת ממסות זהות. אך המציאות היא שגלקסיה צריכה למודל על ידי לפחות שתי תת-אוכלוסיות (שנועדו לייצג את הגז והכוכבים). בודמונ יכול לעשות זאת עם שני פעמים חמשת אלפים נקודות, ואני אסביר לו איך לפעול.

נראה שצינורות ספירליים יפה. בגלקסיה אמיתית, המבנה הספירלי משפיע בעיקר על המסה הגזית, שם התופעה מופיעה כמשהו מאוד לא ליניארי. זהו לא מנגנון מפריע, רחוק מזה. ההבדל בכפיפות בין הזרוע לבין המרחב בין הזרועות יכול להיות של 5. כאן מדובר בכפיפות החומר בצורה של גז. גם גז הכוכבים נפגע מההפרעה הספירלית, אך בדרגה פחותה. איך זה קורה? האם ההפרעה נוצרת במרחב הכוכבי ומשנה את ההגברה הלא ליניארית בגז או ההפך? אנחנו לא יודעים. אפשר רק להניח. אני חושב שאם נביא למרחב הכוכבי, באופן מלאכותי, לשמור על תצורה אקסיאלית סימטרית, הגז יתמודד עם הפרעה ספירלית, או מעגלית, או מורכבת יותר. אך צריך להוכיח את זה. הערה קטנה בדרכנו. בפotos, המבנה הספירלי מופיע בברור. אתם יודעים למה? כי זהו המקום שבו נולדים כוכבים צעירים שמאירים באור אולטרה סגול שמעורר את הגז, ולכן מגיב בפלואורסצנציה. למה כוכבים אלו מעוררים רק את הגז במבנה הספירלי? התשובה מעניינת. הם מתחזקים, במרחק של כמה ק"מ לשנייה, ובכך מנסים לברוח מהמבנה. אך במהלך הזמן הם מבוגרים. הם כבר לא כוכבים צעירים ולא מקרינים באור אולטרה סגול.

אנו מבינים שכאן יש חומר לסדרה של דיסרטציות דוקטורט. זה מאוד מוזר שבעבודת מחקר שלי לא הצלחתי לנהל הרבה מחקר. אך זה כך, והיום זה כבר מאוחר מדי. אני בפנסיה. המוטיבציות של העולם לעיתים רחוקות קרובות עם העניין המדעי. היה לי רק תלמיד אחד. תחת הנהגתי הוא הוציא תוצאות שלא היו קיימות עד כה מדעית. אני לא היה מושך לצעוד על עקבות אחרים. מסלולים מוכרים מרגיעים אותי. יצרנו מדע מאיום, כלומר מודל את ההשמדה של גלי שוק במשמעת של כוחות לפלס. הפרסמנו בכתבי עת עם ביקורת, הצגנו עבודות בכנסים, הובילו לפרויקט מחקר מרגש, מוקדש להוכחת ניסויית של החישובים, במחיר נמוך יחסית. אך העבודות נתקלו בפיגוע עז. כי טיסה ללא "בנג", זה הזכיר את התנהגות של עצמים שנצפו על ידי רבים. לא רצו "לשלוף את החתול מהשקית", כמו שאומרים האנגלו-סקסונים. אני עדיין זוכר לפני יותר מ-20 שנה, שמעתי את ברנרד פונטיין, שידעתי כשכיתה יסודי והיה מגיע להיות, ככל הנראה, מנהל היחידה "פיזיקה לנדידה" ב- CNRS, לומר לי: "כשאלה עבד איתך, מובטח שהוא לא יוכל להמשיך במחקר, להשיג מושב או מקום כלשהו במעבדה".

כעונש על חמש שנים של עבודה ותאום, אפשר לעשות טוב יותר.

תודע דבר אחד: מאחורי מושג העולם התואם, שינוי אמיתי של פורמט, נסתרים יותר מההסבר של ספקטרום רחב של תופעות קוסמיות. זה כנראה הסיבה לכך שפיזיקאי האסטרונומיה היו רדופיים לשבת על נטילת נמלים כה.

נושא המאמר היה הארטיפקט. אביא דוגמה. כשערכנו את ניסויי הסימולציה בתחילת שנות ה-90, הופיע מיד בעיית התנאים על הגבולות. במרחב החישוב שלנו, האינסוף לא קיים. אך רצינו לחקור את החיכוך הדינמי בין גלקסיה 2D לבין סביבה של חומר זוגי, דוחה אך אוטו-משיכה, שמתפשטת עד לאינסוף. הפתרון שחשבתי עליו היה להכפיל את מרחב החישוב לפי פיגור מדויק. כלומר, מה שחקקנו לא היה גלקסיה מבודדת, אלא אינסוף גלקסיות שמתנהגות באופן זהה לפי תקופת מרחב. טכנית זה היה שקול להנחה שחלקיקים שנמצאים באחד מהאלמנטים של "הקרפ" מושפעים רק מהפעולה של חלקיקים שנמצאים במלבן מושך. ראה להלן.

מי שמבין, זה גם היה סגירת המרחב לפי "טארו מישורי, אוקלידי":

סגירת מרחב החישוב לפי טארו

נתתי ל- Landsheat תנאי התחלה שנבנו בקושי באמצעות פתרון אנליטי מורכב, שמקורו במכניקה של נוזלים דו-ממדית, טנזורית, שיצרתי במיוחד לצורך זה. התנאים התחילים מתאימים לציור האחרון. היו לנו צפיפות, שמתארות סוג של גרעין מרכזי סובב ועיגול מוגבל, שמתאים למשהו כזה.

r : צפיפות חומר, r : צפיפות חומר זוגי.*

היה לנו מאוד מרגיע לקבל ספירלה מוקפצת יפה, יציבה על מספר עצום של סיבובים, בעוד שספירלות אחרות איבדו מיד את זרועותיהן. התפרשתי את זה כנובע מהעובדה שהחומר הזוגי בקצוות הגלקסיה שיחק את תפקיד הסף הפוטנציאלי. הראינו הרבה דברים מעניינים, כמו למשל את הظاهرة של עיכוב של הגלקסיה ברגע היווצרות המבנה הספירלי:

עיכוב של הגלקסיה ברגע היווצרות המבנה הספירלי
בהתאם לסביבה של חומר זוגי.

העבודה גם הראתה שהצורה של הגלקסיה תלויה ביחס בין המסים (מסת חומר זוגי למסת חומר רגיל). ראה ציור להלן:

צורת הגלקסיה לפי יחס המסים (חומר זוגי למסה רגילה)

ההתפתחות לצורה "כמו רכב רץ" (כלי עתיק במערה של גלקסיות) מתאימה לסף פוטנציאלי גבוה, שמקושר להופעת חומר זוגי בקצוות. האחרון, שפועל כמו חגורת חיזוק, מכווץ את הזרועות הספירליות ומשנה אותן לעיגול. בצד השני (ציור שמאלי), חסימה קצת פחות מוצלחת מובילה למבנה ספירלי שמתקרב לאי-יציבות. עבודה שחייבת להיעשות שוב, טוב יותר, מדויק יותר. נושא של דיסרטציה נוספת. עבודה ש-ב-1992 לא מעוררה את מי שמעורר.

קראו את המחקר הזה במאמר זה, שנדחה על ידי מספר רב של כתבי עת ולכן מעולם לא "פורסם". אני חושב ש никто לא רצה להאמין לתוצאות הללו. בתקופת 1992, הראיתי את הסימולציה ל"נשים הספירליות" הצרפתיות: לייה אטנאסולו ופרנסואה קומב. היא אמרה לי: "עם גז קורן אפשר להשיג בדיוק את אותו דבר". אך זה היה שקר. זו הייתה רק שקר: הגלקסיות שלה לא נותרו יותר מסיבוב אחד. גם של אטנאסולו לא (שהתנתקה מהנושא, גם אם הייתה מוספת לכוח חישוב חזק, בגלל חוסר רעיונות).

לך לדף זה תוכל לראות את הסימולציה מ-12 שנים (שני מגה ומשהו). תשים לב לשבירה הדרגתית של החומר הזוגי, שמתאימה לארטיפקט שנוצר על ידי שיטת החישוב:

הנה תמונה שנלקחה מהתוצאות של החישוב ב-1992:

במרכז, הספירלה המוקפצת. סביב, החומר הזוגי שבור בגלל ארטיפקט.

ההצטברויות היו קשורות לפיגור, לאותו עובדה שהמערכת מטפלת "באינסוף גלקסיות קרובות". אני חושב שזה דוגמה יפה לארטיפקט. בכל רגע נצטרך להרגיש: האם מה שנראה לנו מתאים למשהו "אמיתי", יכול להתייחס למציאות או האם זה ארטיפקט שקשורה לדרך בה מנהלים את החישוב. מקורות לארטיפקטים יכולים להיות מגוונים. כל מה שיעביר אותנו מהدينמיקה האמיתית של המערכת שנחקרת ייחשב ארטיפקט. ארטיפקט יכול לגרום:

• להופיע תופעה שקשורה לא מה שרצינו למודל

• לגרום להיעלמות התופעה שרצינו להופיע.

• לגרום להופעת מחלות "דיסקרטיות", לדוגמה, אי-השמרת של אנרגיה.

דמיין שארצה למודל "אומה גלובלית" ב-3D. ראה את התמונה של אומה הארקולוס, למעלה. לא אוכל לנהל מאות אלפי נקודות-מסה, אך עדיין כמה אלפי. יש לי את המזל ליהנות מפתרון אנליטי (של אדינגטון) שמאפשר לי לקבוע את המיקום והמהירות הראשוניים של נקודות-מסה בצורה הטובה ביותר. המטרה שלי היא לחקור את הפיזור, "ההוואה" הטבעית של האומה. אני רואה שהיא מתפזרת במהירות רבה, בקצב שנדמה לי מהיר מדי. אני מבודד נקודה-מסה ומבין איך היא מתנהגת באומה. אני רואה שהיא מציירת מסלול בצורת זיגזג, שמשמעו abundance של "התנגשויות", פגישות קרובות, ואני יודע שפגישות אלו ימלאו " đuויות של התפלגות מהירות", כלומר יספקו לנקודות-מסה מהירות שמעבר למהירות הפליטה מהאומה. אז... זה תקין. אך זה לא מה שרציתי לעשות. אני יכול להפחית באופן מלאכותי את אפקט הפגישות הקרובות על ידי ביטול הפעולה לחלוטין כאשר שתי נקודות-מסה נמצאות במרחק קטן ממרחק נתון.

זה מלאכותי אך עובד. נניח שארצה לחקור את התגובה של גלקסיה ספירה (אותה מבנה כמו אומה גלובלית) כאשר עצם שמיוצג על ידי מסה נקודתית M עובר קרוב. אני יכול באמצעות טריק זה למודל סביבה שלם לא-התנגשותית. כל נקודה-מסה "רואה" רק את הפעולה של הנקודות הרחוקות. כשנכנס קרוב מדי לנקודה-מסה אחת, "נחתך" הכוח (Cut in).