Simulasi Artefak Astrofisika: Gas Antarbintang

Artefak

10 Mei 2004

Apa itu artefak? Larousse menjelaskan bahwa artefak adalah struktur yang terbentuk secara kebetulan atau buatan yang muncul dalam suatu eksperimen atau pengamatan. Dapat dikatakan bahwa simulasi komputer numerik, yang merupakan "eksperimen komputasi", melibatkan pencarian terus-menerus terhadap artefak. Ketika kita berusaha meniru, artinya kita berusaha mereproduksi suatu fenomena dengan "sesuatu yang lain", sistem lain yang analog. Seorang ahli aerodinamika pasti menghadapi masalah semacam ini. Gas padat atau panas tidak berperilaku sama seperti gas yang sangat jarang atau dingin. Dalam mekanika fluida, fenomena ini telah dipelajari secara mendalam, setidaknya sejauh mungkin sesuai kriteria kesamaan (seperti angka Reynolds). Namun, meskipun telah bertahun-tahun melakukan eksperimen, para insinyur pesawat terkadang mengalami kejutan besar. Sebagai contoh, ketika pesawat angkut militer besar Lookheed Galaxy dibuat, ternyata pesawat ini sangat rentan terhadap fenomena aeroelastisitas: pesawat mulai bergetar seperti mengibas-ngibaskan sayap, sesuatu yang tidak terungkap dalam uji terowongan angin maupun simulasi numerik. Getaran ini bisa menjadi bencana. Karena kelelahan struktur pesawat sangat terkait dengan fenomena kelelahan material. Alih-alih mengubah struktur sayap pesawat, lebih dipilih untuk memasang sistem pengendali yang menekan gerakan "flutter" tersebut menggunakan aileron. Masalah serupa muncul pada pesawat ulang-alik Amerika Serikat, yang menimbulkan masalah paling kritis. Desainer harus mempertimbangkan kemampuan terbang pesawat di semua lapisan udara yang dilaluinya, mulai dari udara paling tipis hingga paling padat. Dalam kondisi ini, pusat dorong bergerak. Pada penerbangan pertama, hampir terjadi bencana. Setelah menerima beban yang dianggap standar, pesawat tiba-tiba menjadi sangat sensitif, hingga pilot harus menekan kemudi ke perut. Pesawat nyaris terbalik, menyebabkan kerusakan pada ubin-ubin bagian atas, yang sama sekali tidak dirancang untuk menahan panas. Pesawat baru bisa kembali ke posisi terbang yang stabil dengan susah payah. Apa yang dilakukan NASA? Alih-alih merancang ulang pesawat, mereka memilih untuk menempatkan semua beban ... di bagian belakang. Jika Anda melihat tempat pemasangan satelit dan beban, selalu ditempatkan di bagian belakang. Fakta ini sangat jarang diketahui. NASA jelas tidak membanggakannya. Saya tahu hal ini dari seorang pilot uji.

Dalam astrofisika, kita tidak memiliki kemampuan membandingkan sistem yang kita amati bergerak di layar dengan pengamatan langsung. Secara astronomis, kita selalu berada dalam posisi "berhenti di gambar". Oleh karena itu, masalah ini secara esensi sangat rumit. Selain itu, kita tidak mengukur semuanya. Dalam bagian teori kinetik gas, kita telah membahas struktur medium "dalam ruang kecepatan". Kami menambahkan bahwa akses terhadap informasi ini hanya tersedia di sekitar Matahari, dan tidak ada harapan untuk perubahan dalam waktu dekat.

Seiring waktu, pengukuran akan menjadi jauh lebih halus. Batas kesalahan berkurang. Namun, mari kita ambil contoh galaksi berbentuk spiral. Apa yang dimaksud dengan "kurva kecepatan"?

Kita mengukur komponen kecepatan radial melalui efek Doppler. Kemudian, dengan mengasumsikan galaksi hampir datar dan gerakan massa gas hampir melingkar, kita menyimpulkan kurva kecepatan gas yang mengorbit dalam medan gravitasi yang 90% dihasilkan oleh bintang-bintang (setidaknya itulah yang diasumsikan selama bertahun-tahun). Mengapa kita mengasumsikan lintasan massa gas hampir melingkar? Karena perbedaan kecepatan antara massa gas tersebut (setara dengan kecepatan agitasi termal) sangat kecil, sekitar 1 km/detik. Kecil dibandingkan dengan estimasi kecepatan rotasi. Astronom selalu menyebutnya sebagai "kecepatan residu", yaitu kecepatan yang tersisa setelah mengurangi gerakan rata-rata, setara dengan "gerakan makroskopik".

Sedikit penyimpangan: apa saja yang menyusun gas antarbintang? Ini adalah medium yang sangat kompleks di mana kita akan menemukan "awan" yang biasanya mencapai ratusan ribu massa matahari, serta spektrum berbagai awan dengan massa lebih kecil. Jadi ini adalah "campuran spesies", dalam pengertian teori kinetik gas. Namun, di sinilah masalah menjadi rumit: massa gas ini tidak stabil. Mereka membentuk bintang-bintang muda yang memancarkan ultraviolet dan memanaskan gas tersebut. Fenomena supernova jauh lebih dahsyat, dengan jangkauan mencapai ratusan tahun cahaya: ketebalan lapisan gas. Kita memperkirakan laju ledakan bintang-bintang besar ini sekitar satu per abad. Ini laju yang sangat cepat dibandingkan dengan periode rotasi galaksi, yang membutuhkan 100 juta tahun untuk satu putaran. Artinya, ada sekitar satu juta supernova per putaran! Supernova ini sangat mengganggu struktur lokal gas antarbintang. Dalam disertasi doktoral saya (1972), saya membandingkan gas antarbintang dengan selimut yang penuh bulu, di mana terjadi ledakan petasan kecil dengan laju cepat, menjaga ketidakteraturan dan tingkat energi gas.

Bagaimana memodelkan dan mensimulasikan semua ini? Tidak hanya dalam pandangan instan, gas antarbintang tampak seperti campuran awan dengan massa tersebar dalam spektrum yang sangat lebar, tetapi awan-awan ini tidak bertahan lama. Mereka terurai, menguap, lalu membentuk kembali sedikit lebih jauh, dengan laju yang tidak kita ketahui secara tepat karena kita tidak hidup cukup lama. Kita seperti serangga yang umur hidupnya hanya beberapa fraksi detik, mengamati awan cumulus dan berusaha memahami mekanisme cuaca. Perbandingan antara awan antarbintang dan awan di langit tidak terlalu buruk.

Saat ini, kita hanya mampu mengelola beberapa ribu titik. Mungkin lebih dalam waktu dekat. Tetapi apakah kita akan mampu mengelola cukup banyak titik massa untuk mensimulasikan pembentukan bintang dan pemanasan massa gas antarbintang? Masih sangat rumit. Kita harus tetap rendah hati. Ini akan selalu memaksa kita untuk melakukan skematisasi, lebih atau kurang dibenarkan. Dikatakan bahwa kita menilai pohon dari buahnya. Kita hanya bisa melakukan itu. Mesin itu sendiri tidak berarti apa-apa tanpa pemahaman tentang mekanisme, visi intuitif. Visi ini kurang dimiliki generasi baru astrofisikawan. Dalam sebuah laporan yang disajikan di Ciel et Espace, para ahli simulasi mengatakan: "Kami memiliki instrumen, tetapi kami tidak memiliki 'persamaan'." Melalui kalimat ini, mereka mengakui bahwa mereka tidak memiliki visi tentang hal-hal tersebut, tidak memiliki arahan, tidak memiliki ide nyata untuk diuji, hanya memiliki sumber daya komputasi besar yang tidak mereka pahami sepenuhnya.

Di dasar pekerjaan simulasi, kita harus memiliki ide-ide untuk diuji. Ini adalah dialog nyata antara manusia dan mesin, sangat menarik. Lihat contoh hasil kerja Frédéric Baudemont saat ini:

Indah, spektakuler, tetapi apakah ini bermakna? Kita akan mengatakan bahwa ini menggembirakan, sangat menggembirakan, seperti simulasi yang saya lakukan pada tahun 1992 dengan seorang Frédéric lain. Ini adalah 2D, bukan 3D. Ini adalah "gas datar". Kita bisa berharap bahwa "fluida galaksi" akan berperilaku serupa ketika kita memberikan derajat kebebasan ketiga, dalam arah z. Kita bisa berharap, tetapi tidak bisa memastikan tanpa verifikasi. Selain itu, yang berputar spiral adalah satu populasi tunggal, terdiri dari massa identik. Padahal, kenyataannya galaksi harus dimodelkan dengan setidaknya dua sub-populasi (yang mewakili gas dan bintang). Baudemont bisa melakukannya dengan dua kali lima ribu titik, dan saya akan menjelaskan caranya.

Kita melihat munculnya pita spiral yang indah. Dalam galaksi nyata, struktur spiral terutama memengaruhi massa gas, di mana fenomena ini muncul sebagai sesuatu yang sangat non-linier. Ini bukan mekanisme gangguan biasa. Perbedaan kerapatan antara lengan dan ruang antar-lengan bisa mencapai 5. Di sini, ini adalah kerapatan materi dalam bentuk gas. Gas bintang juga mengalami gangguan spiral, tetapi dalam tingkat yang lebih rendah. Bagaimana hal ini terjadi? Apakah gangguan muncul di medium bintang dan kemudian menyebabkan amplifikasi sangat non-linier dalam gas, atau sebaliknya? Kita tidak tahu. Kita hanya bisa berspekulasi. Secara pribadi, saya berpendapat bahwa jika kita secara buatan memaksa medium bintang tetap mempertahankan konfigurasi aksial simetris, maka gas akan menjadi tempat terjadinya gangguan spiral, atau berbentuk cincin, atau bahkan lebih kompleks. Tetapi kita harus membuktikannya. Sebuah catatan kecil: pada foto, struktur spiral sangat terlihat. Tahukah Anda mengapa? Karena di situlah bintang-bintang muda lahir, memancarkan UV yang menggugah gas dan bereaksi melalui fluoresensi. Mengapa bintang-bintang ini hanya menggugah gas di struktur spiral? Jawabannya lucu. Mereka berpindah, sekitar beberapa kilometer per detik, dan dalam prosesnya cenderung meninggalkan struktur ini. Namun, selama itu, mereka telah menua. Mereka bukan lagi bintang muda dan tidak lagi memancarkan ultraviolet.

Kita menyadari bahwa di sini terdapat banyak bahan untuk banyak disertasi doktoral. Sangat disesalkan bahwa selama karier penelitian saya, saya tidak bisa memimpin banyak penelitian. Tapi begitulah, dan sekarang terlalu terlambat. Saya sudah pensiun. Motivasi di lingkungan ini sering jauh dari minat ilmiah. Saya hanya memiliki satu mahasiswa doktoral. Di bawah bimbingan saya, dia mendapatkan hasil tanpa precedent secara ilmiah. Saya tidak pernah suka mengikuti jejak orang lain. Jalan yang sudah ditempuh membosankan. Kami menciptakan ilmu dari nol, yaitu memodelkan anihilasi gelombang kejut menggunakan medan gaya Laplace. Kami menerbitkan di jurnal yang direview, menyajikan hasil di konferensi, membuka proyek penelitian menarik yang berfokus pada konfirmasi eksperimental perhitungan ini, dengan biaya yang relatif rendah. Tapi penelitian ini menghadapi serangan hebat. Karena terbang tanpa suara ledakan (bang) mengingatkan pada perilaku objek-objek yang pernah dilihat oleh banyak saksi. Mereka tidak ingin "mengungkapkan kucing dari kantong", seperti kata orang Inggris. Saya masih ingat, lebih dari dua puluh tahun lalu, mendengar Bernard Fontaine, yang dulu saya kenal sebagai mahasiswa muda dan kemudian menjadi, menurut saya, direktur Departemen "Fisika untuk Insinyur" di CNRS, berkata kepada saya: "Karena dia bekerja bersamamu, mustahil dia bisa melanjutkan penelitian, mendapatkan posisi, atau bahkan jabatan di laboratorium."

Sebagai hukuman atas lima tahun usaha dan pelatihan, ini adalah hal yang lebih buruk.

Tahu satu hal: di balik konsep alam semesta kembar, perubahan paradigma nyata, tersembunyi lebih dari sekadar penjelasan berbagai fenomena kosmik. Mungkin inilah alasan mengapa para astrofisikawan sangat enggan duduk di atas sarang lebah yang berbahaya ini.

Topik dari dossier ini adalah artefak. Saya akan memberi satu contoh. Ketika kami melakukan eksperimen simulasi pada awal tahun 1990-an, masalah kondisi batas segera muncul. Dalam ruang komputasi kami, tak hingga tidak ada. Padahal, kami ingin mempelajari gesekan dinamis antara galaksi 2D dan lingkungan materi kembar yang saling tolak, tetapi saling tarik, yang seharusnya menyebar hingga tak terhingga. Solusi yang saya ciptakan adalah menyalin ruang komputasi ini dengan cara paving teratur. Intinya, yang kami pelajari bukan galaksi terisolasi, melainkan tak terhingga galaksi yang berulang secara periodik dengan perilaku dan pola yang sama. Secara teknis, ini berarti mengasumsikan bahwa partikel-partikel dalam salah satu elemen "ubin" hanya merasakan pengaruh partikel-partikel dalam persegi panjang yang ditentukan. Lihat di bawah.

Bagi yang bisa melihat, ini juga setara dengan menutup ruang dengan "torus datar, euklides":

Menutup kembali ruang komputasi dengan torus

Saya memberi Landsheat kondisi awal yang dibangun dengan susah payah menggunakan solusi analitik yang sangat kompleks, berasal dari mekanika fluida dua dimensi tensorial yang saya ciptakan khusus untuk keperluan ini. Kondisi awal ini sesuai dengan gambar sebelumnya. Kami memiliki kerapatan, menggambarkan gumpalan pusat berputar dan cincin pembatas yang sesuai dengan sesuatu seperti ini.

r: kerapatan materi, r: kerapatan materi kembar*

Kami sangat senang mendapatkan spiral berbentuk batang yang stabil selama jumlah putaran yang sangat besar, sementara spiral lainnya kehilangan lengan segera. Saya menafsirkannya sebagai akibat dari materi kembar di bagian tepi galaksi yang berperan sebagai penghalang potensial. Kami menemukan banyak hal menarik, seperti fenomena perlambatan galaksi saat struktur spiral terbentuk:

Perlambatan galaksi saat struktur spiral terbentuk karena interaksi dengan lingkungan materi kembar

Kerja ini juga menunjukkan bahwa bentuk galaksi bergantung pada rasio massa (massa materi kembar terhadap massa materi normal). Lihat gambar berikut:

Bentuk galaksi terhadap rasio massa (materi kembar terhadap materi normal)

Evolusi menuju bentuk "seperti mobil terbang" (klasik dalam katalog galaksi) sesuai dengan penghalang potensial yang kuat, terkait dengan keberadaan materi kembar di tepi. Materi ini, bertindak seperti korset, menarik lengan spiral hingga berubah menjadi cincin. Sebaliknya (gambar kiri), pembatasan yang terlalu longgar mengarah pada struktur spiral yang cenderung tidak stabil. Pekerjaan yang harus dilakukan lagi, lebih baik, lebih akurat. Topik disertasi ke-n. Pekerjaan yang, pada tahun 1992, tidak menarik perhatian siapa pun.

Baca studi ini dalam artikel ini, yang ditolak oleh banyak jurnal dan oleh karena itu tidak pernah "diterbitkan". Saya percaya bahwa tidak ada yang mau percaya hasil ini. Pada masa itu, 1992, saya menunjukkan animasi ini kepada "perempuan spiral" Prancis: Lia Athanassoula dan Françoise Combe. Yang terakhir mengatakan kepada saya, "dengan gas dingin, kita bisa mendapatkan hal yang persis sama." Tapi itu salah. Hanya tipu daya: galaksi spiral mereka tidak bertahan lebih dari satu putaran. Galaksi Athanassoula juga tidak (yang akhirnya berpaling dari topik ini, meskipun memiliki sumber daya komputasi kuat, karena kekurangan ide).

Kunjungi halaman ini untuk melihat animasi ini yang berusia 12 tahun (dua megabyte lebih). Anda akan melihat fragmentasi progresif materi kembar, yang merupakan artefak akibat metode komputasi:

Berikut adalah gambar hasil dari komputasi tahun 1992:

Di tengah, spiral berbentuk batang. Di sekitarnya, materi kembar yang terfragmentasi akibat artefak.

Kondensasi ini terkait dengan pengubinan, fakta bahwa sistem mengelola "tak hingga galaksi tetangga". Saya kira ini contoh yang bagus dari artefak. Kapan pun, kita harus selalu bertanya: apakah apa yang kita lihat sesuai dengan sesuatu yang "nyata", dapat merujuk pada realitas, atau apakah ini artefak yang terkait dengan cara kita mengelola komputasi. Sumber artefak bisa sangat beragam. Apa pun yang membuat kita menjauh dari dinamika nyata sistem yang diteliti dapat dianggap sebagai artefak. Artefak dapat:

• Munculnya fenomena yang sama sekali tidak ada hubungannya dengan apa yang ingin dimodelkan
• Menghilangkan fenomena yang ingin muncul
• Munculnya patologi "diskret", misalnya ketidakkekalan energi

Bayangkan saya ingin memodelkan "gugus bola" dalam 3D. Lihat foto gugus Hercules di atas. Saya tidak akan mampu mengelola ratusan ribu titik massa, tetapi setidaknya beberapa ribu. Keberuntungan saya adalah memiliki solusi analitik (solusi Eddington) yang memungkinkan saya menentukan posisi awal dan kecepatan titik massa sebaik mungkin. Tujuan saya adalah mempelajari penyebaran, "penguapan" alami gugus. Saya menyadari bahwa gugus ini menguap sangat cepat, dengan laju yang tampak terlalu cepat. Saya kemudian mengisolasi satu titik massa dan melihat bagaimana perilakunya dalam gugus. Saya melihat lintasannya berbentuk zigzag, mencerminkan banyak "tabrakan", pertemuan dekat, dan saya tahu bahwa pertemuan ini akan mengisi "ekor distribusi kecepatan", sehingga memberi titik massa kecepatan melebihi kecepatan lepas gugus. Jadi, ini normal. Tapi ini bukan yang saya inginkan. Saya bisa secara buatan mengurangi efek pertemuan dekat ini dengan benar-ben