Simulazione di artefatti in astrodinamica: gas interstellare

Artefatti

10 maggio 2004

Cosa è un artefatto? Il Larousse ci insegna che si tratta di una struttura accidentale o artificiale che appare durante un'esperimento o un'osservazione. Si può dire che le simulazioni numeriche al computer, che sono delle "esperienze di calcolo", comportano una caccia continua agli artefatti. Quando si cerca di simulare, si cerca di riprodurre un fenomeno con "qualcos'altro", un altro sistema analogo. Un aerodinamico si trova di fronte a un problema simile. Un gas denso o caldo non si comporta allo stesso modo di un gas rarefatto o freddo. In meccanica dei fluidi questi fenomeni sono stati, se non perfettamente studiati, almeno analizzati con la massima precisione possibile secondo criteri di similitudine (come il numero di Reynolds). Ma nonostante decenni di esperimenti, gli ingegneri aeronautici hanno talvolta subito brutte sorprese. Ad esempio, quando fu costruito il grande aereo militare Lockheed Galaxy, si rivelò sensibile a un fenomeno di aeroelasticità: cominciò a... battere le ali, un comportamento che né i test in galleria del vento né le simulazioni numeriche avevano rivelato. Queste oscillazioni potevano rivelarsi catastrofiche. Infatti, l'invecchiamento delle strutture di un aereo è essenzialmente legato a un fenomeno di fatica dei materiali. Invece di modificare la struttura delle ali di quell'aereo, si preferì dotarlo di un sistema di controllo che, utilizzando gli alettoni, contrastasse quel movimento di "flutter". Problema analogo si presentò per la Navetta Spaziale americana, che presentava i problemi più acuti. Infatti, i progettisti dovevano prevedere le sue caratteristiche di volo in tutte le fasce d'aria attraversate, che variavano dal gas più rarefatto al più denso. In queste condizioni, il "centro di spinta" si spostava. Al primo volo si sfiorò la catastrofe. Avendo ricevuto un carico ritenuto standard, la navetta si rivelò improvvisamente instabile, al punto che il pilota dovette spingere il manubrio contro il petto. L'aereo passò quasi sul dorso, causando danni alle piastrelle della parte superiore, assolutamente non progettate per sopportare il riscaldamento. L'apparecchio riprese la sua posizione di volo per un soffio. Cosa fece la NASA? Invece di ridisegnare la navetta, si preferì spostare tutte le cariche... verso la coda. Se guardate dove si agganciano i satelliti e le cariche, è sempre nella parte posteriore. Questo fatto è poco noto. La NASA ovviamente non se ne vanta. L'ho scoperto da un pilota di collaudo.

In astrofisica non abbiamo la possibilità di confrontare i sistemi che osserviamo evolvere sullo schermo con un'osservazione diretta. Astronomicamente siamo in uno stato permanente di fotogramma fermo. Il problema è quindi per sua natura spinoso. Inoltre, non misuriamo tutto. Abbiamo parlato nella parte sulla teoria cinetica dei gas della struttura del mezzo "nello spazio delle velocità". Abbiamo aggiunto che non abbiamo accesso a queste informazioni che nel vicinato del Sole e non si può sperare che cambierà presto.

Col tempo, le misurazioni saranno notevolmente affinate. Gli errori si sono ridotti. Ma prendiamo ad esempio una galassia a spirale. Si parla di "curva di velocità". Cosa si intende con questo termine?

Misuriamo la componente radiale della velocità, attraverso l'effetto Doppler. Successivamente, assumendo che la galassia sia quasi piatta e che i movimenti delle masse gassose siano quasi circolari, deduciamo la curva di velocità del gas orbitante in un campo gravitazionale che è per il 90% generato dalle stelle (almeno così si è supposto a lungo). Perché si assume che le traiettorie delle masse gassose siano quasi circolari? Perché le differenze di velocità tra esse (equivalenti a una velocità di agitazione termica) sono piccole, dell'ordine di 1 km/s. Piccole rispetto alla stima della velocità di rotazione. L'astronomo parlerà sempre di "velocità residua", quella che resta dopo aver sottratto il moto medio, equivalente a un "moto macroscopico".

Digressione leggera: di cosa è composto il gas interstellare? È un mezzo estremamente complesso in cui si trovano "nuvole" che rappresentano comunemente centomila masse solari, seguite da un ampio spettro di nuvole di massa minore. È quindi un "miscuglio di specie", nel senso della teoria cinetica dei gas. Ma ciò che complica ulteriormente le cose è che queste masse gassose non sono stabili. Danno origine a stelle giovani che emettono ultravioletti e riscaldano il gas. Ancora più violento è il fenomeno della supernova, il cui raggio d'azione raggiunge centinaia di anni luce: lo spessore della "frittella" gassosa. Si stima che il tasso di esplosione di queste stelle massicce sia di una ogni secolo. È un ritmo molto rapido rispetto alla scala di una rotazione galattica, che richiede cento milioni di anni. Ciò significa un milione di supernovae per... rotazione! Queste supernovae alterano notevolmente la struttura locale del gas interstellare. Nella mia tesi di dottorato (1972) avevo paragonato il gas interstellare a un piumino pieno di piume all'interno del quale esplodessero piccole bombe a un ritmo rapido, mantenendo il disordine e il livello energetico del gas.

Come modellare, simulare tutto questo? Non solo, in una visione istantanea, il gas interstellare assomiglia a un miscuglio di nuvole le cui masse sono distribuite secondo uno spettro molto ampio, ma queste nuvole non durano. Si dissolvono, si vaporizzano, poi si ricostituiscono un po' più in là, a un ritmo che non sappiamo valutare con precisione, a causa della nostra breve durata di vita. Siamo un po' come insetti il cui ciclo vitale duri solo frazioni di secondo, osservando i cumuli e cercando di capire i meccanismi meteorologici. Il paragone tra nuvole interstellari e nuvole del cielo non è poi così cattivo.

Attualmente siamo in grado di gestire qualche migliaio di punti. Forse di più in un futuro prossimo. Ma riusciremo a gestire abbastanza punti-massa per simulare la formazione di stelle, il riscaldamento delle masse di gas interstellare? Tutto ciò rimane molto problematico. Dovremo restare umili. Ciò ci costringerà sempre a una certa schematizzazione, più o meno giustificata. Si dice che si giudica l'albero dai frutti. Noi potremo fare solo questo. La macchina, di per sé, non è nulla senza una visione dei meccanismi, una visione intuitiva. Questa manca alla nuova generazione di astrofisici. In un dossier presentato su Ciel et Espace, i campioni della simulazione dicevano: "Abbiamo gli strumenti, ma non abbiamo le equazioni". Attraverso questa frase ammettevano di non avere alcuna visione delle cose, nessuna guida direttrice, nessuna vera idea da testare, soltanto potenti mezzi di calcolo che non sapevano usare veramente.

Alla base di un lavoro di simulazione deve esserci l'idea da testare. È un vero dialogo tra uomo e macchina, molto interessante. Guardate ad esempio il risultato attuale del lavoro di Frédéric Baudemont:

È bello, spettacolare, ma ha un senso? Diciamo che è incoraggiante, molto incoraggiante, come lo erano le simulazioni che avevo fatto nel 1992 con un altro Frédéric. Si tratta di 2D e non di 3D. È un "gas piatto". Si può sperare che il "fluido galattico" abbia la buona idea di comportarsi in modo simile quando si doterà le sue componenti...