宇宙物理学における星間ガスのアーティファクトシミュレーション

アーティファクト

2004年5月10日

アーティファクトとは何か？『ラルース』によれば、それは実験や観測の過程で偶然または人工的に生じる構造を指す。数値シミュレーション、すなわち「計算実験」は、常にアーティファクトの追求を伴う。シミュレーションとは、ある現象を「別のもの」、すなわちアナログな別のシステムで再現しようとする試みである。空気力学の専門家は、このような問題に直面する。高密度または高温のガスは、希薄または低温のガスとは異なる挙動を示す。流体力学では、レイノルズ数などの類似基準に従って、これらの現象は完全に研究されたわけではないが、可能な限り精密に研究されている。しかし、何十年にもわたる実験の結果、航空機設計者たちはしばしば驚きを味わった。例えば、大型軍用機「ルックヘッド・ギャラクシー」が、風洞実験や数値シミュレーションではまったく予見できなかった「空力振動」に敏感であることが判明した。この機体は、まるで翼をバチバチと動かすように振動し始めたのである。この振動は、航空機の構造寿命に大きく影響する「材料疲労」の原因となり得る。この機体の翼構造を変更するのではなく、代わりに、翼端の制御面を用いてこの「フラッター」を抑制する制御システムを搭載した。アメリカのスペースシャトルにも類似の問題があった。特に深刻な問題だった。設計者は、機体が空気の密度が最も希薄な層から最も濃密な層までを飛行する際の飛行特性をすべて予測しなければならなかった。その結果、「推力中心」が変化する。初飛行時、事故に近い事態が発生した。標準的な荷重が加えられたと判断されたシャトルは、突然急降下し、パイロットが操縦桿を腹部に押し込むほどの急激な動きを示した。機体はほぼ逆さまになり、上部のタイルに損傷が生じた。これらのタイルは、そのような加熱を耐えるようには設計されていなかった。機体は、ぎりぎりのところで飛行姿勢を回復した。NASAは、機体の設計を再設計するのではなく、荷物をすべて後方に配置することを選んだ。現在、衛星や荷物を固定する場所を見れば、すべて後方に配置されていることがわかる。この事実はあまり知られていない。NASAは当然、これを自慢しない。私は試験パイロットから聞いた。

宇宙物理学では、スクリーン上で観測されるシステムと、直接的な観測を比較する手段が存在しない。天文的に見れば、私たちは常に「止まった画像」の状態にある。したがって、この問題は本質的に困難である。さらに、すべての量を測定できるわけではない。気体の運動論の部分で、我々は「速度空間」における環境の構造について述べた。また、この情報に太陽周辺でのみアクセスできると付け加えた。今後も、そのような状況が長期間続くと期待するのは無理である。

時間の経過とともに、観測の精度は著しく向上している。誤差範囲は小さくなっている。しかし、例えば渦巻銀河を例に取ろう。ここで「速度曲線」とは、一体何を意味するのだろうか？

我々はドップラー効果を用いて、速度の径方向成分を測定する。その後、銀河がほぼ平面的であり、ガスの質量運動がほぼ円運動であると仮定することで、重力場が星の質量の90％によって作られている（少なくとも長期間にわたりそう仮定されてきた）という前提のもと、ガスの速度曲線を導き出す。なぜ、ガス質量の軌道がほぼ円運動であると仮定するのか？ それは、ガスの速度差（熱運動に相当する）が、回転速度に比べて非常に小さい（約1km/s）ためである。回転速度に比べて非常に小さいため、天文学者は常に「残余速度」と呼ぶ。これは、平均運動（すなわちマクロな運動）を差し引いた後に残る速度を指す。

少し脱線するが、星間ガスはどのようなもので構成されているのか？ これは極めて複雑な媒体であり、通常10万太陽質量程度の「雲」が存在し、それらに加えて、より小さな質量の雲が多様なスケールで存在する。したがって、これは気体の運動論における「種の混合物」として捉えることができる。しかし、ここで複雑さが生じるのは、これらのガス質量が安定していないためである。それらは若い星を形成し、紫外線を放出して周囲のガスを加熱する。さらに激しいのは超新星爆発であり、その影響範囲は100光年にも及ぶ。これはガスの「クレープ状」の厚さに相当する。大質量星の爆発頻度は、1世紀に1回程度とされる。これは銀河の自転周期（1億年）に比べて極めて速い。つまり、1回の自転で100万回もの超新星爆発が発生する。これらの超新星は、星間ガスの局所構造に大きな影響を与える。私の博士論文（1972年）では、星間ガスを、内部に小さな花火が頻繁に爆発する羽毛布団にたとえた。その爆発は、秩序を破壊し、ガスのエネルギー状態を維持する役割を果たしていると述べた。

このような現象をモデル化し、シミュレーションするにはどうすればよいのか？ 一瞬の視点から見ると、星間ガスは、非常に広いスケールで質量が分布した雲の混合物のように見える。しかし、これらの雲は長期間にわたって存在しない。消散し、蒸発し、その後少し離れた場所で再び形成される。その再形成の頻度は、我々が十分に長く生きられないため、正確に評価できない。私たちは、寿命が数秒の一部に過ぎない昆虫のように、積乱雲を眺めながら、気象のメカニズムを理解しようとしているようなものである。星間雲と空の雲との類似性は、決して悪くない。

現在、我々は数千個の点を扱うことができるようになった。近い将来、もっと多くを扱えるかもしれない。しかし、星の形成や星間ガスの加熱をシミュレーションするのに十分な質量点を扱えるだろうか？ これについてはまだ非常に問題が多い。我々は謙虚でなければならない。そのため、常にある程度の簡略化を強いられ、その簡略化がよりどころがあるかどうかは、議論の余地がある。人が「果実で木を評価する」という。我々も、それしかできない。機械自体は、メカニズムに対する「ビジョン」、直感的な理解がなければ、何の意味も持たない。この直感的な理解が、新しい世代の宇宙物理学者には欠けている。『空と宇宙』誌に掲載された資料では、シミュレーションの専門家たちが「我々には道具はあるが、『方程式』がない」と述べていた。この一言から、彼らが何のビジョンも持たず、何の指導的アイデアも持たず、ただ巨大な計算能力を持つだけで、それを正しく使えない状態であることが窺える。

シミュレーション作業の基盤には、検証すべきアイデアが必要である。これは、人間と機械との間で行われる非常に興味深い対話である。例えば、フリーデリック・ボーデモンの現在の成果を見てみよう：

これは美しいし、壮観だが、意味があるのだろうか？ 私たちは、これは前向きで、非常に前向きな兆しであると評価する。1992年に別のフリーデリックと行ったシミュレーションと同様に、これは2次元（2D）であり、3次元（3D）ではない。これは「平らなガス」である。銀河流体が、その成分が追加された際に、同様の振る舞いを示すことを期待できるだろう。