Simulatie van astrofysische artefacten in het interstellaire gas

Artefacten

10 mei 2004

Wat is een artefact? Het Larousse legt uit dat het een toevallige of kunstmatige structuur is die verschijnt tijdens een experiment of waarneming. Men kan zeggen dat numerieke simulaties op computer, die "rekenexperimenten" zijn, een permanente jacht op artefacten met zich meebrengen. Wanneer men probeert te simuleren, betekent dat dat men zich inzet om een verschijnsel te reproduceren met "iets anders", een ander systeem, analoge. Een aerodynamicus wordt hiermee geconfronteerd. Een dicht of heet gas gedraagt zich niet op dezelfde manier als een verdund of koud gas. In de vloeistofmechanica zijn deze fenomenen niet perfect bestudeerd, maar wel zo nauwkeurig mogelijk bestudeerd volgens similitudecriteria (zoals het Reynoldsgetal). Toch hebben vliegtuigbouwers, ondanks decennia van experimenten, soms vreselijke verrassingen gekend. Zo bleek bijvoorbeeld het grote militaire vliegtuig Lookheed Galaxy gevoelig te zijn voor een fenomeen van aeroelasticiteit: het begon... met zijn vleugels te klapperen, iets wat windtunnels en numerieke simulaties geenszins hadden onthuld. Deze trillingen konden catastrofaal zijn. Immers, het verslijten van de structuren van een vliegtuig hangt voornamelijk af van een fenomeen van materiaalvermoeidheid. In plaats van de vleugelstructuur te wijzigen, besloot men het vliegtuig uit te rusten met een gecontroleerd systeem dat met hulp van roeren dit "flappende" gedrag tegenging. Een gelijkaardig probleem bestond voor de Amerikaanse ruimteveer, die de meest acute problemen opleverde. De ontwerpers moesten de vliegkwaliteiten van de veer in alle luchtlagen voorspellen, die variëren van de meest verdunde tot de meest dichte lucht. In deze omstandigheden verschuift het aandrijfpunt. Bij de eerste vlucht raakte men bijna een ramp. Nadat het vliegtuig wat men als standaardbelasting aanzag had ontvangen, bleek het plotseling te kapseizen, zodat de piloot het stuur tegen zijn buik moest zetten. Het vliegtuig ging bijna op zijn rug, wat leidde tot schade aan de tegels aan de bovenkant, die absoluut niet bestand waren tegen verwarming. Het vliegtuig herstelde zijn vluchtstand pas net op tijd. Wat deed de NASA? In plaats van het vliegtuig opnieuw te ontwerpen, besloot men alle lasten... achteraan te plaatsen. Als u kijkt waar satellieten en lasten worden vastgemaakt, is dat altijd achteraan. Dit feit is zeer weinig bekend. De NASA heeft er zeker niet trots op gemaakt. Ik leerde het van een proefpiloot.

In de astrofysica hebben we geen mogelijkheid om de systemen die we op een scherm zien evolueren te vergelijken met directe waarneming. Astronomisch zijn we voortdurend in een stilstaande beeld. Het probleem is dus per definitie lastig. Bovendien meten we niet alles. In het gedeelte over de kinetische theorie van gassen hebben we gesproken over de structuur van het midden "in de ruimte van snelheden". We hebben erbij gezegd dat we alleen toegang hebben tot deze informatie in de buurt van de Zon en dat we er niet op kunnen hopen dat dit binnenkort anders wordt.

Met de tijd zullen de metingen aanzienlijk verfijnd worden. De foutenmarges zijn gereduceerd. Maar neem bijvoorbeeld een spiraalvormige sterrenstelsel. Wat bedoelen we met een "snelheidscurve"?

We meten de radiale component van de snelheid, via het Dopplereffect. Stel vervolgens dat het sterrenstelsel bijna vlak is en dat de bewegingen van de gasmassa's bijna cirkelvormig zijn, dan leiden we de snelheidscurve van het gas af dat in een zwaartekrachtveld draait dat voor 90% wordt veroorzaakt door sterren (tenminste, zo is het lang gedacht). Waarom veronderstellen we dat de baan van de gasmassa's bijna cirkelvormig is? Omdat de snelheidsverschillen tussen hen (overeenkomend met een thermische beweging) klein zijn, van de orde van een km/s. Klein ten opzichte van de geschatte rotatiesnelheid. De astronoom zal altijd spreken van een "residuele snelheid", die overblijft nadat het gemiddelde beweging is afgetrokken, overeenkomend met een "macroscopisch beweging".

Korte afwijking: uit wat bestaat het interstellaire gas? Het is een uiterst complexe omgeving waarin je "wolken" aantreft die meestal honderdduizend zonnemassa's vertegenwoordigen, gevolgd door een hele reeks wolken met lagere massa. Het is dus een "mengsel van soorten", in de zin van de kinetische theorie van gassen. Maar waar het ingewikkeld wordt, is dat deze gasmassa's niet stabiel zijn. Ze geven jonge sterren voort die ultraviolet uitstralen en het gas verwarmen. Nog heviger is het fenomeen van de supernova, waarvan het bereik honderden lichtjaren bedraagt: de dikte van de gaslaag. We schatten het uitbarstingsritme van deze zware sterren op één per eeuw. Dat is een zeer snel tempo op de schaal van een rotatie van het sterrenstelsel op zich. Ons sterrenstelsel maakt een volledige omwenteling in honderd miljoen jaar. Dat betekent een miljoen supernova's per ... omwenteling! Deze supernova's veranderen de lokale structuur van het interstellaire gas aanzienlijk. In mijn doctoraatscriptie (1972) vergelijkde ik het interstellaire gas met een dekbed vol pluimen waarin kleine vuurwerkjes af en toe ontploften, met een snel tempo, het onordelijkheid en het energieniveau van het gas onderhoudend.

Hoe modelleren en simuleren we dit alles? Niet alleen ziet het interstellaire gas er in een momentopname eruit als een mengsel van wolken waarvan de massa's verspreid zijn over een zeer brede spectrums, maar deze wolken blijven niet bestaan. Ze verdwijnen, verdampten, en vormen zich opnieuw iets verderop, met een tempo dat we niet nauwkeurig kunnen bepalen, omdat we niet lang genoeg leven. We zijn een beetje als insecten waarvan de levensduur slechts een fractie van een seconde bedraagt, die kijken naar cumuluswolken en proberen meteorologische mechanismen te begrijpen. De vergelijking tussen interstellaire wolken en wolken in de lucht is niet zo slecht.

Momenteel kunnen we enkele duizenden punten beheren. Misschien meer in de nabije toekomst. Maar zullen we genoeg punten kunnen beheren om de vorming van sterren en de verwarming van het interstellaire gas te simuleren? Dat blijft zeer problematisch. We zullen bescheiden moeten blijven. Dat dwingt ons altijd tot een bepaalde schematisering, meer of minder gerechtvaardigd. Men zegt dat men de boom oordeelt aan de vruchten. Dat is alles wat we kunnen doen. De machine is niets zonder een visie op de mechanismen, een intuïtieve visie. Die ontbreekt bij de nieuwe generatie astrofysici. In een dossier dat werd gepresenteerd in Ciel et Espace zeiden de kampioenen van simulaties: "We hebben de instrumenten, maar we hebben geen vergelijkingen." Door deze zin gaven ze toe dat ze geen visie hadden, geen richtingsgevende visie, geen echte idee om te testen, alleen grote rekenkrachten die ze niet echt konden gebruiken.

Bij het begin van een simulatiewerkzaamheid moet men ideeën hebben om te testen. Het is een echte dialoog tussen mens en machine, zeer interessant. Kijk bijvoorbeeld naar het huidige resultaat van het werk van Frédéric Baudemont:

Het is mooi, spectaculair, maar is het ook betekenisvol? We zullen zeggen dat het aanmoedigend is, zeer aanmoedigend, zoals de simulaties die ik in 1992 maakte met een andere Frédéric. Het gaat om 2D en niet 3D. Het is een "plat gas". We kunnen hopen dat het "galactische vloeistof" de goede idee heeft om zich op dezelfde manier te gedragen wanneer we zijn componenten een derde vrijheidsgraad in de z-richting geven. We kunnen het hopen, maar we kunnen het niet met zekerheid zeggen tot we het hebben gecontroleerd. Bovendien is het een enkele populatie die spiralen, bestaande uit identieke massa's. Maar de werkelijkheid is dat een sterrenstelsel minstens twee subpopulaties moet worden gemodelleerd (verondersteld om gas en sterren te vertegenwoordigen). Baudemont zou dit kunnen doen met twee keer vijfduizend punten en ik zal hem uitleggen hoe het moet.

Er verschijnen mooie spiraalarmen. In een echt sterrenstelsel beïnvloedt de spiraalstructuur vooral de gasmassa, waar het verschijnsel zich voordoet als iets zeer niet-lineair. Het is geen perturbatief mechanisme, verre van dat. Het dichtheidsverschil tussen de arm en de ruimte tussen de armen kan van de orde van 5 zijn. Hier gaat het om de dichtheid van materie in vorm van gas. De sterrenmaterie ondergaat ook deze spiraalperturbatie, maar in mindere mate. Hoe gaat het nu in zijn werk? Ontstaat de perturbatie in de sterrenomgeving en veroorzaakt deze dan een zeer niet-lineaire versterking in het gas, of is het juist andersom? We weten het niet. We kunnen alleen maar veronderstellen. Persoonlijk denk ik dat als we de sterrenomgeving kunstmatig dwingen om een axiaal symmetrische configuratie te behouden, het gas een spiraal- of ringvormige perturbatie, of nog complexer, zal ondergaan. Maar dat moet worden aangetoond. Een kleine opmerking terzijde. Op de foto's zijn de spiraalstructuren duidelijk zichtbaar. Weet u waarom? Omdat het de plek is waar jonge sterren worden geboren, die ultraviolet uitstralen dat het gas opwekt en dus fluoresceren. Waarom exciteert deze sterren alleen het gas in de spiraalstructuur? Het antwoord is amusant. Ze migreren, met een paar kilometer per seconde, en daardoor proberen ze deze structuur te verlaten. Maar in de tussentijd zijn ze ouder geworden. Ze zijn geen jonge sterren meer en stralen niet langer in het ultraviolette.

Men realiseert zich dat hier materiaal is voor een hele reeks doctoraatsverhandelingen. Het is jammer dat ik tijdens mijn onderzoeksloopbaan niet meer onderzoek kon leiden. Maar zo is het, en nu is het een beetje te laat. Ik ben in pensioen. De motivaties van het vak zijn vaak verre van het wetenschappelijke belang. Ik had maar één doctoraatsstudent. Onder mijn leiding behaalde hij ongekende wetenschappelijke resultaten. Ik had nooit het gevoel om op de voet van anderen te lopen. De bewoonde paden vervelen me. We hebben wetenschap uit het niets gecreëerd, dat wil zeggen het verdwijnen van schokgolven gemodelleerd met een Laplace-krachtenveld. We publiceerden in gerefereerde tijdschriften, presenteerden werk op congressen, leidden uit op een fascinerend onderzoeksproject, gericht op de experimentele bevestiging van deze berekeningen, tegen een relatief lage kosten. Maar deze werken werden aangevallen met een hevige tegenslag. Omdat het vliegen zonder knal herinnerde aan het gedrag van bepaalde objecten die door talloze getuigen werden gezien. Men wilde "de kat uit de boom" niet halen, zoals de Anglo-Saxons zeggen. Ik herinner me nog dat ik meer dan twintig jaar geleden Bernard Fontaine hoorde, die ik als jonge student had gekend en die later, denk ik, directeur werd van het departement "Fysica voor de Ingenieur" bij het CNRS: "Aangezien die jongen met jou gewerkt heeft, is het uitgesloten dat hij ooit nog onderzoek kan doen, een functie kan krijgen of een plaats in een laboratorium kan verkrijgen."

Als straf voor vijf jaar inspanning en opleiding, wordt er niets beter gedaan.

Wees ervan overtuigd: achter het concept van tweelingwerelden, een echte paradigma-wisseling, schuilt veel meer dan alleen de verklaring van een brede reeks kosmische fenomenen. Precies daarom waren astrofysici zo terughoudend om op zo’n nest van wespen te zitten.

Het thema van dit dossier was het artefact. Ik geef u een voorbeeld. Toen wij in de jaren negentig onze simulaties uitvoerden, kwam onmiddellijk het probleem van de randvoorwaarden naar voren. In onze rekenruimte bestaat het oneindige niet. Toch wilden we de dynamische wrijving bestuderen tussen een 2D sterrenstelsel en een omgeving van gelijkwaardige materie, die afstotend is maar zelf aantrekkelijk, die in theorie tot het oneindige zou kunnen strekken. De oplossing die ik bedacht, was om deze rekenruimte te dupliceren volgens een regelmatig betegeling. Met andere woorden, wat we bestudeerden, was geen afzonderlijk sterrenstelsel, maar een oneindig aantal sterrenstelsels die hetzelfde gedrag, hetzelfde patroon herhaalden op een bepaalde ruimtelijke periode. Technisch gezien betekende dit dat de deeltjes in één van deze "tegels" alleen gevoelig waren voor de werking van de deeltjes in een rechthoek die was getekend. Zie hieronder.

Voor degene die kunnen zien, was dit ook hetzelfde als het ruimte sluiten volgens een "platte, euclidische torus":

Het sluiten van de rekenruimte volgens een torus

Ik gaf Landsheat moeilijk opgebouwde initiële voorwaarden, op basis van een zeer complexe analytische oplossing, afkomstig uit een soort tensoriale vloeistofmechanica in twee dimensies, die ik voor dit doel moest creëren. Deze initiële voorwaarden komen overeen met het voorlaatste plaatje. We hadden dichtheden, die een soort roterende centrale klomp en een beperkende ring beschreven, die iets leek op dit.

r: materiedichtheid, r: dichtheid van gelijkwaardige materie*

We waren erg tevreden met een mooie, stabiele, gebarrande spiraal die zich over een indrukwekkend aantal omwentelingen uitstrekte, terwijl die van anderen hun armen direct verloren. Ik interpreteerde dit als het gevolg van de gelijkwaardige materie aan de rand van het sterrenstelsel, die fungeerde als een potentiaalbarrière. We brachten tal van interessante dingen aan het licht, zoals bijvoorbeeld het remmingsproces van het sterrenstelsel bij de vorming van de spiraalstructuur:

Remming van het sterrenstelsel bij de vorming van de spiraalstructuur door interactie met de omgeving van gelijkwaardige materie

Dit werk toonde ook aan dat de vorm van het sterrenstelsel afhankelijk is van het verhouding tussen de massa's (gelijkwaardige materie tegenover normale materie). Zie de figuur hieronder:

Vorm van het sterrenstelsel afhankelijk van het massa-verhouding (gelijkwaardige materie tegenover normale materie)

De evolutie naar een "auto-achtige vorm" (een klassieker in het galactisch bestiary) komt overeen met een sterke potentiaalbarrière, veroorzaakt door gelijkwaardige materie aan de rand. Deze laatste, die werkt als een corset, trekt de spiraalarmen samen en verandert ze in een ring. Omgekeerd (linkerfiguur) een te losse beperking leidt tot een spiraalstructuur die neigt naar onstabiele toestand. Een werk dat opnieuw moet worden gedaan, beter en nauwkeuriger. Een nieuw onderwerp voor een doctoraatsverhandeling. Een werk dat in 1992 niemand interesseerde.

Lees deze studie in dit artikel, dat werd afgewezen door vele tijdschriften en dus nooit "gepubliceerd". Ik denk dat niemand geloofde in deze resultaten. Toen, in 1992, toonde ik deze animatie aan de Franse "spiral women": Lia Athanassoula en Françoise Combe. De laatste zei me: "Met koud gas krijg je precies hetzelfde." Maar dat was onjuist. Het was slechts een misleiding: haar spiraalstelsels hielden niet langer dan één omwenteling stand. Die van Athanassoula ook niet (die uiteindelijk het onderwerp liet varen, ondanks de krachtige rekenmiddelen die ze had, door gebrek aan ideeën).

Ga naar deze pagina om deze animatie van twaalf jaar (twee megabytes en wat) te bekijken. U zult de progressieve fragmentatie van de gelijkwaardige materie zien, die het gevolg is van een artefact door de rekenmethode:

Hier is een afbeelding afkomstig uit de berekeningsresultaten van 1992:

In het midden: de gebarrande spiraal. Rondom: de gelijkwaardige materie, gefragmenteerd door artefact.

Deze condensaties hingen samen met het betegelen, met het feit dat het systeem "oneindig veel naburige sterrenstelsels" beheerde. Ik denk dat dit een mooi voorbeeld van een artefact is. Op elk moment zullen we ons moeten afvragen: komt wat we zien overeen met iets "werkelijks", kan het verwijzen naar een realiteit, of is het een artefact dat voortkomt uit de manier waarop we de berekening beheren. De bronnen van artefacten kunnen zeer