Simulação de artefatos em astrofísica: gás interestelar

Artefatos

10 de maio de 2004

O que é um artefato? O Larousse nos ensina que se trata de uma estrutura acidental ou artificial que surge durante uma experiência ou uma observação. Pode-se dizer que as simulações numéricas em computador, que são "experiências de cálculo", envolvem uma busca constante por artefatos. Quando se tenta simular, significa que se busca reproduzir um fenômeno com "algo diferente", um outro sistema análogo. Um aerodinamista se depara com esse problema. Um gás denso ou quente não se comporta da mesma forma que um gás rarefeito ou frio. Na mecânica dos fluidos, esses fenômenos foram, se não perfeitamente estudados, pelo menos analisados com a maior precisão possível, segundo critérios de semelhança (como o número de Reynolds). Mas, apesar de décadas de experiências, os construtores de aviões às vezes tiveram surpresas desagradáveis. Por exemplo, quando foi construído o grande avião militar Lookheed Galaxy, este revelou-se sensível a um fenômeno de aeroelasticidade: começou a... agitar as asas, algo que os testes em túnel de vento e as simulações numéricas não haviam revelado. Essas oscilações poderiam ser catastróficas. De fato, o envelhecimento das estruturas de um avião está essencialmente ligado a um fenômeno de fadiga dos materiais. Em vez de modificar a estrutura das asas, preferiu-se equipar o aparelho com um sistema de controle que, por meio de ailerons, contrabalançasse esse movimento de "flutter". Problema análogo enfrentado pela nave espacial americana, que apresentava os problemas mais agudos. De fato, os projetistas precisavam prever suas características de voo em todas as camadas de ar atravessadas, que variavam do ar mais rarefeito ao mais denso. Nessas condições, o "centro de empuxo" se deslocava. Na primeira missão, quase houve uma catástrofe. Recebendo o que se considerava uma carga padrão, a nave revelou-se subitamente instável, ao ponto de o piloto precisar empurrar o manche contra o peito. O aparelho quase virou de costas, causando danos às cerâmicas da parte superior, absolutamente não projetadas para suportar o aquecimento. A nave só recuperou sua posição de voo por um triz. O que fez a NASA? Em vez de redesenhar a máquina, preferiu colocar todas as cargas... na parte traseira. Se você olhar onde se amarra os satélites e cargas, é sempre na parte traseira. Esse fato é pouco conhecido. A NASA certamente não se gabou disso. Soube disso por um piloto de testes.

Na astrofísica, não temos a possibilidade de comparar os sistemas que observamos evoluindo na tela com uma observação direta. Astronomicamente, estamos em permanente pausa em imagem. O problema é, portanto, essencialmente intrincado. Além disso, não medimos tudo. Já falamos, na parte sobre a teoria cinética dos gases, sobre a estrutura do meio "no espaço das velocidades". Adicionamos que só temos acesso a essa informação no entorno do Sol, e não se deve esperar que isso mude em breve.

Com o tempo, as medições serão consideravelmente aprimoradas. Os intervalos de erro se reduziram. Mas tomemos, por exemplo, uma galáxia espiral. Fala-se em "curva de velocidade". O que se entende por isso?

Mede-se a componente radial da velocidade, por meio do efeito Doppler. Supondo, então, que a galáxia é quase plana e que os movimentos das massas gasosas são quase circulares, deduz-se a curva de velocidade do gás orbitando em um campo gravitacional que é em 90% produzido pelas estrelas (pelo menos foi isso que se supôs por muito tempo). Por que supõe-se que as trajetórias das massas gasosas são quase circulares? Porque as diferenças de velocidade entre elas (equivalentes a uma velocidade de agitação térmica) são pequenas, da ordem de 1 km/s. Pequenas em comparação com a estimativa da velocidade de rotação. O astrônomo sempre falará em "velocidade residual", aquela que resta após subtrair o movimento médio, equivalente a um "movimento macroscópico".

Pequena digressão: de que é feito o gás interestelar? É um meio extremamente complexo, onde encontramos "nuvens" com massa comum de cem mil massas solares, além de todo um espectro de nuvens com massa menor. É, portanto, uma "mistura de espécies", no sentido da teoria cinética dos gases. Mas onde as coisas se complicam é que essas massas gasosas não são estáveis. Dão origem a estrelas jovens que emitem ultravioleta e aquecem esse gás. Ainda mais violento é o fenômeno da supernova, cujo raio de ação atinge centenas de anos-luz: a espessura da "crosta" gasosa. Estima-se que o ritmo de explosão dessas estrelas massivas seja de uma por século. É um ritmo muito rápido na escala de uma rotação da galáxia sobre si mesma. Nossa galáxia completa uma volta em cem milhões de anos. Isso dá um milhão de supernovas por... volta! Essas supernovas alteram bastante a estrutura local do gás interestelar. Na minha tese de doutorado (1972), comparava o gás interestelar a um edredom cheio de penas, dentro do qual explodiam pequenas bombas a um ritmo rápido, mantendo o desordenamento e o nível energético do gás.

Como modelar, simular tudo isso? Não apenas, em uma visão instantânea, o gás interestelar parece uma mistura de nuvens cujas massas se distribuem segundo um espectro muito amplo, mas essas nuvens não duram. São dissipadas, evaporadas, e se reconstituem um pouco mais adiante, a um ritmo que não sabemos avaliar com precisão, por falta de vivermos tempo suficiente. Somos um pouco como insetos cujas vidas duram apenas frações de segundo, contemplando cumulus e tentando compreender mecanismos meteorológicos. A comparação entre nuvens interestelares e nuvens do céu não é tão ruim.

Atualmente, conseguimos lidar com alguns milhares de pontos. Talvez mais em um futuro próximo. Mas poderemos lidar com um número suficiente de pontos-massa para simular a formação de estrelas, o aquecimento das massas de gás interestelar? Tudo isso ainda é muito problemático. Teremos de permanecer modestos. Isso nos forçará sempre a uma certa simplificação, mais ou menos justificada. Diz-se que se julga a árvore pelos frutos. Nós só poderemos fazer isso. A máquina, por si só, não é nada sem uma visão dos mecanismos, uma visão intuitiva. Essa visão falta à nova geração de astrofísicos. Em um dossier apresentado na revista Ciel et Espace, os campeões das simulações diziam: "Temos os instrumentos, mas não temos as equações". Por meio dessa frase, eles admitiam que não tinham nenhuma visão das coisas, nenhuma orientação direta, nenhuma ideia real para testar, apenas grandes recursos computacionais que não sabiam usar realmente.

Na base de um trabalho de simulação, é preciso ter ideias para testar. É um diálogo verdadeiro entre homem e máquina, muito interessante. Veja, por exemplo, o resultado atual do trabalho de Frédéric Baudemont:

É bonito, é espetacular, mas é significativo? Dizemos que é encorajador, muito encorajador, assim como eram as simulações que fiz em 1992 com outro Frédéric. Trata-se de 2D e não de 3D. É um "gás plano". Pode-se esperar que o "fluido galáctico" tenha a boa ideia de se comportar de forma semelhante quando se dotar suas componentes...