Symulacja artefaktów astrofizycznych, gaz międzygwiazdowy

Artefakty

10 maja 2004

Co to jest artefakt? Słownik Larousse informuje, że jest to struktura przypadkowa lub sztuczna pojawiająca się podczas eksperymentu lub obserwacji. Można powiedzieć, że symulacje numeryczne na komputerze, które są „eksperymentami obliczeniowymi”, wiązane są z nieustannym poszukiwaniem artefaktów. Gdy chcemy symulować, oznacza to, że staramy się odtworzyć zjawisko za pomocą „czegoś innego”, innego systemu, analogowego. Inżynier aerodynamiczny napotka taki problem. Gęsty lub gorący gaz nie zachowuje się tak samo jak rozrzedzony lub zimny gaz. W mechanice płynów te zjawiska zostały badane, choćby nie doskonale, to przynajmniej z największą możliwą dokładnością według kryteriów podobieństwa (takich jak liczba Reynoldsa). Jednak pomimo dekad eksperymentów konstruktorzy samolotów czasem napotykali na poważne niespodzianki. Na przykład, gdy budowano dużą wojskową maszynę typu Lookheed Galaxy, okazało się, że jest wrażliwa na zjawisko aerodynamicznej niestabilności: zaczęła... machać skrzydłami, co nie zostało wykryte w testach w tunelu aerodynamicznym ani w symulacjach numerycznych. Te drgania mogły okazać się katastrofalne. W rzeczywistości zużycie struktury samolotu jest przede wszystkim związane z zjawiskiem wyczerpania materiałów. Zamiast zmieniać konstrukcję skrzydeł, zdecydowano się wyposażyć maszynę w układ regulacyjny, który poprzez sterowanie skrzydłami hamował ten ruch „flutter”. Podobny problem dotyczył amerykańskiej orbity kosmicznej, która stwarzała najpoważniejsze problemy. Konstruktorzy musieli zapewnić jej właściwości lotu w każdej warstwie powietrza, od najrzadszego do najgęstszych. W tych warunkach „środek ciągu” się przesuwał. Podczas pierwszego lotu prawie doszło do katastrofy. Otrzymawszy to, co uznano za standardowe obciążenie, kosmiczna orbity nagle zaczęła się zrywać, aż pilot musiał przytrzymać ster w klatce piersiowej. Maszyna prawie przewróciła się, co spowodowało uszkodzenia płytek na górnej części, które nie były zaprojektowane do wytrzymywania nagrzewania. Maszyna odzyskała właściwą postawę lotu ledwo na czas. Co zrobiła NASA? Zamiast przeprojektować maszynę, zdecydowano się umieścić wszystkie obciążenia... na tył. Jeśli spojrzysz na miejsce, gdzie przywiązuje się satelity i obciążenia, zawsze są one umieszczone na tył. To zjawisko jest bardzo słabo znane. NASA nie chwaliło się tym oczywiście. Dowiedziałem się o tym od pilota prób.

W astrofizyce nie mamy możliwości porównania systemów, które obserwujemy na ekranie, z bezpośrednią obserwacją. Astronomicznie jesteśmy w stałym stanie „zamrożonego obrazu”. Problem jest więc z natury trudny. Poza tym nie mierzymy wszystkiego. Mówiliśmy wcześniej o strukturze środowiska „w przestrzeni prędkości” w ramach teorii kinetycznej gazów. Dodałem, że dostęp do tej informacji mamy tylko w pobliżu Słońca i nie należy oczekiwać, że będzie inaczej w bliskiej przyszłości.

Z czasem pomiary znacznie się wyostrzą. Błędy pomiarowe zmniejszają się. Ale weźmy na przykład galaktykę spiralną. Mówimy o „krzywej prędkości”. Co to znaczy?

Mierzymy składową radialną prędkości, poprzez efekt Dopplera. Zakładając następnie, że galaktyka jest niemal płaska i ruchy mas gazowych są niemal kołowe, wyprowadzamy krzywą prędkości gazu orbitującego w polu grawitacyjnym, które jest w 90% powodowane przez gwiazdy (przynajmniej tak zakładano przez długi czas). Dlaczego zakładamy, że trajektorie mas gazowych są niemal kołowe? Ponieważ różnice prędkości między nimi (równoważne prędkości termicznej) są małe, rzędu 1 km/s. Małe w porównaniu z oszacowaną prędkością rotacji. Astronomowie zawsze będą mówić o „prędkości resztkowej”, czyli tej, która pozostaje po odjęciu ruchu średniego, odpowiadającego „ruchowi makroskopowemu”.

Mała odchyłka: z czego składa się gaz międzygwiazdowy? Jest to środowisko o bardzo złożonej strukturze, w którym znajdziemy „chmury” o typowej masie 100 tys. mas Słońca, a także cały zakres chmur o mniejszej masie. Jest to więc „mieszanka gatunków” w sensie teorii kinetycznej gazów. Ale tam, gdzie rzeczy się komplikują, jest to, że te masy gazowe nie są stabilne. Powstają z nich młode gwiazdy, które wydzielają ultrafiolet i ogrzewają ten gaz. Jeszcze bardziej zniszczeniowe jest zjawisko supernowej, którego zasięg sięga setek lat świetlnych: grubości gazowej „płytki”. Szacuje się, że tempo wybuchów tych masywnych gwiazd wynosi jedną na wiek. To bardzo szybki temp o w skali rotacji galaktyki. Nasza galaktyka wykonuje jeden obrót w 100 milionów lat. To daje milion supernowych na... obrót! Te supernowe znacznie zmieniają lokalną strukturę gazu międzygwiazdowego. W mojej pracy doktorskiej (1972) porównałem gaz międzygwiazdowy do kołdry wypełnionej piórami, w której eksplodują małe fajerwerki w szybkim tempie, utrzymując chaos i poziom energii gazu.

Jak modelować, symulować to wszystko? Nie tylko w chwili obecnej gaz międzygwiazdowy wygląda jak mieszanka chmur, których masy rozłożone są na bardzo szerokim spektrum, ale te chmury nie trwają długo. Zanikają, wyparzają się, a potem ponownie powstają nieco dalej, z tempem, którego nie potrafimy precyzyjnie oszacować, ponieważ nie żyjemy wystarczająco długo. Jesteśmy trochę jak owady, których życie trwa tylko kilka ułamków sekundy, patrząc na chmury i próbując zrozumieć mechanizmy pogodowe. Porównanie chmur międzygwiazdowych z chmurami na niebie nie jest aż tak złe.

Obecnie jesteśmy w stanie zarządzać kilkoma tysiącami punktów. Może więcej w niedalekiej przyszłości. Ale czy będziemy w stanie zarządzać wystarczającą liczbą punktów-mas, by symulować powstawanie gwiazd i nagrzewanie mas gazu międzygwiazdowego? Wciąż to pozostaje bardzo problematyczne. Musimy pozostać skromni. To zmusi nas do pewnej schematyzacji, bardziej lub mniej uzasadnionej. Mówi się, że ocenia się drzewo po owocach. My zrobimy tylko to. Maszyna sama w sobie nic nie znaczy bez widzenia mechanizmów, intuicyjnego zrozumienia. To brakuje nowej generacji astrofizyków. W dokumentacji przedstawionej w „Ciel et Espace” faworyci symulacji mówili