Simulare artefactă astrofizică gaz interstelar

Artefacte

10 mai 2004

Ce este un artefact? Dicționarul Larousse ne învață că este o structură accidentală sau artificială care apare într-o experiență sau observație. Se poate spune că simulările numerice pe calculator, care sunt „experimente de calcul”, implică o căutare constantă a artefactelor. Când cineva încearcă să simuleze, înseamnă că încearcă să reproducă un fenomen folosind „ceva diferit”, un alt sistem, analog. Un aerodinamician se confruntă cu un astfel de problemă. Un gaz dens sau cald nu se comportă la fel ca un gaz rarefiat sau rece. În mecanica fluidelor, aceste fenomene au fost, dacă nu perfect studiate, cel puțin studiate cu cea mai mare precizie posibilă, conform unor criterii de similitudine (cum ar fi numărul Reynolds). Dar, în ciuda deceniilor de experimente, constructorii de avioane au avut une dată surprize serioase. De exemplu, când a fost construit marele avion militar Lookheed Galaxy, acesta s-a dovedit sensibil la un fenomen de aeroelasticitate: a început să... bată din aripi, lucru care nu a fost deloc evidențiat de testele în tunelul aerodinamic sau de simulările numerice. Aceste oscilații ar fi putut fi catastrofice. Într-adevăr, uzura structurilor unui avion este în principal legată de un fenomen de oboseală a materialelor. În loc să modifice structura aripilor acestui aparat, s-a preferat să-l echipăm cu un sistem aservit, care contracară prin măsurile de control (ailerons) acest mișcare de „flutter”. Problema similară s-a prezentat și pentru Columbia, spațială americană, care a creat probleme foarte grave. Într-adevăr, proiectanții trebuiau să prevadă calitățile de zbor ale acesteia în toate straturile de aer traversate, care variau de la cel mai rarefiat la cel mai dens. În aceste condiții, „centrul de tracțiune” se deplasa. La primul zbor, s-a aflat la marginea unei catastrofe. Prin urmare, după ce a primit ce se credea a fi un încărcare standard, Columbia s-a dovedit brusc instabilă, până la punctul în care pilotul a trebuit să împingă maneta în jos. Aparatul a trecut aproape pe dos, ceea ce a dus la deteriorarea plăcuțelor de pe partea superioară, absolut neconcepute să suporte încălzirea. Aparatul a reușit să-și recupereze poziția de zbor doar la timp. Ce a făcut NASA? În loc să reînnoiască mașina, s-a preferat să mutăm toate încărcările... spre spate. Dacă priviți locul unde se fixează sateliții și încărcăturile, este mereu în spate. Acest fapt este puțin cunoscut. NASA nu s-a mândrit cu asta. L-am aflat de la un pilot de test.

În astrofizică nu avem posibilitatea de a compara sistemele pe care le observăm evoluând pe un ecran cu o observație directă. Astronomic, suntem mereu într-o stare de „înghețare a imaginii”. Problema este deci esențial dificilă. În plus, nu măsurăm totul. Am vorbit în partea teoriei cinetice a gazelor despre structura mediului „în spațiul vitezelor”. Am adăugat că nu avem acces la această informație decât în apropierea Soarelui și nu trebuie să ne așteptăm ca lucrurile să fie diferite într-un viitor apropiat.

Pe măsură ce timpul trece, măsurătorile vor fi considerabil îmbunătățite. Barele de eroare s-au redus. Dar luați, de exemplu, o galaxie spirală. Ce înțelegem prin „curba de viteză”?

Măsurăm componenta radială a vitezei, prin efectul Doppler. Apoi, presupunând că galaxia este aproape plană și că mișcările maselor gazoase sunt aproape circulare, deducem curba de viteză a gazului care orbitează într-un câmp gravitațional care este în 90% creat de stele (cel puțin așa s-a presupus timp de multe timp). De ce presupunem că traiectoriile maselor gazoase sunt aproape circulare? Pentru că diferențele de viteză între ele (echivalente cu o viteză de agitație termică) sunt mici, de ordinul unui km/s. Mic în comparație cu estimarea vitezei de rotație. Astronomul va vorbi mereu despre „viteză reziduală”, aceea care rămâne după ce am scăzut mișcarea medie, echivalentă cu un „mişcare macroscopică”.

O scurtă digresiune: ce este format gazul interstelar? Este un mediu extrem de complex în care vom găsi „norii” care reprezintă de obicei o sută de mii de mase solare, apoi un spectru întreg de nori cu masă mai mică. Este deci un „amestec de specii”, în sensul teoriei cinetice a gazelor. Dar acolo unde lucrurile se complică este că aceste mase gazoase nu sunt stabile. Ele dau naștere stelelor tinere care emit radiație ultravioletă și încălzesc acest gaz. În mod mai violent este fenomenul de supernovă, a cărui rază de acțiune atinge sute de ani lumină: grosimea stratului gazos. Estimăm ritmul de explozie al acestor stele masive la o pe secol. Este un ritm foarte rapid la scara unei rotații a galaxiei asupra sa. A noastră face o rotație în 100 de milioane de ani. Acest lucru înseamnă un milion de supernove pe... rotație! Aceste supernove alterează destul de mult structura locală a gazului interstelar. În teza mea de doctorat (1972) am comparat gazul interstelar cu un pătură plină de pene în interiorul căreia explodează mici petarde, la un ritm rapid, menținând dezordinea și nivelul energetic al gazului.

Cum modelăm, simulăm totul? Nu doar că, într-o viziune instantanee, gazul interstelar arată ca un amestec de nori a căror mase sunt distribuite după un spectru foarte larg, dar acești nori nu persistă. Sunt dispersați, vaporizați, apoi se reînnoiesc puțin mai departe, la un ritm pe care nu îl putem evalua cu precizie, din cauza că nu trăim suficient de mult. Suntem puțin ca niște insecte ale căror durate de viață nu ar fi decât câteva fracțiuni de secundă, contemplând cumuli și încercând să înțelegem mecanismele meteorologice. Compararea dintre norii interstelari și norii de pe cer nu este chiar atât de rea.

În prezent, suntem în măsură să gestionăm câteva mii de puncte. Poate mai mult într-un viitor apropiat. Dar vom putea gestiona suficiente puncte-masă pentru a simula formarea stelelor, încălzirea maselor de gaz interstelar? Totul rămâne foarte problematic. Trebuie să rămânem modesti. Aceasta ne va forța mereu la o anumită schematizare, mai mult sau mai puțin justificată. Se spune că judecăm copacul după fructe. Noi vom putea face doar asta. Mașina, în sine, nu înseamnă nimic fără o viziune asupra mecanismelor, o viziune intuitivă. Această viziune îi lipsește generației noi de astrofizicieni. Într-un dosar prezentat în Ciel et Espace, campionii simulărilor spuneau: „avem instrumentele, dar nu avem ecuațiile”. Prin această frază au recunoscut că nu aveau nicio viziune asupra lucrurilor, nicio viziune directoare, nicio idee reală de testat, doar mijloace mari de calcul pe care nu le știau cum să le folosească în mod adecvat.

La baza unui lucru de simulare trebuie să ai idei de testat. Este un dialog real între om și mașină, foarte interesant. Uitați-vă, de exemplu, la rezultatul actual al lucrării lui Frédéric Baudemont:

Este frumos, este spectaculos, dar are o semnificație? Vom spune că este încurajator, foarte încurajator, la fel cum erau simulările pe care le-am făcut în 1992 cu un alt Frédéric. Este vorba de 2D, nu de 3D. Este un „gaz plan”. Putem spera că „fluidul galactic” va avea ideea bună de a se comporta în mod similar atunci când îi vom da un al treilea grad de libertate, în z. Putem spera, dar nu putem afirma cu certitudine până nu vom verifica. În plus, ceea ce se învârte este o populație unică, formată din mase identice. Dar realitatea este că o galaxie trebuie modelată cel puțin cu două subpopulații (presupuse a reprezenta gazul și stelele). Baudemont ar putea face asta cu două ori cinci mii de puncte și îi voi explica cum să procedeze.

Se văd frumoase benzi spirale. Într-o galaxie reală, structura spirală afectează în special masa gazoasă, unde fenomenul apare ca ceva foarte neliniar. Nu este un mecanism perturbativ, departe de asta. Contrasta dintre densitatea brațului și spațiul dintre brațe poate fi de ordinul 5. Aici este vorba de densitatea materiei sub formă de gaz. Gazele stelelor sunt, de asemenea, afectate de această perturbație spirală, dar într-o măsură mai mică. Cum se întâmplă lucrurile? Este perturbația generată în mediul stelar și apoi provoacă o amplificare foarte neliniară în gaz sau invers? Nu știm. Nu putem face decât presupuneri. Personal, cred că dacă impunem artificial mediului stelar să păstreze o configurație axi-simetrică, gazul va fi locul unei perturbații spirale, sau anulare, sau chiar mai complexe. Dar trebuie să demonstrăm acest lucru. O mică observație în treacăt. Pe fotografii, structurile spiralate sunt foarte vizibile. Știți de ce? Pentru că sunt locul nașterii stelelor tinere, care emit radiație UV care excitează gazul și reacționează prin fluorescență. De ce aceste stele excitează doar gazul din structura spirală? Răspunsul este amuzant. Ele migrează, la câțiva kilometri pe secundă, și, în acest timp, tind să părăsească această structură. Dar între timp, au îmbătrânit. Nu mai sunt stele tinere și nu mai emit în ultraviolet.

Înțelegem că aici există materie pentru o mulțime de teze de doctorat. Este foarte păcat că în timpul carierei mele de cercetător nu am putut dirija multe cercetări. Dar așa este, și acum e cam târziu. Sunt în pensionare. Motivațiile din mediul științific sunt adesea foarte departe de interesul științific. Am avut un singur doctorand. Sub conducerea mea, a obținut rezultate fără precedent din punct de vedere științific. Nu am avut niciodată dorința de a merge pe urmele altora. Drumurile bine trase mă plictiseau. Am creat știință ex-nihilo, adică am modelat anihilarea undelor de șoc cu ajutorul unui câmp de forțe Laplace. Am publicat în reviste cu referenți, am prezentat lucrări la congrese, am deschis un proiect de cercetare fascinant, centrat pe confirmarea experimentală a acestor calcule, la un cost relativ scăzut. Dar aceste lucrări s-au ciocnit de un foc puternic de critică. Pentru că zburat fără a face „bang”, amintea comportamentul unor obiecte văzute de mulți martori. Nu s-a vrut „să scoată pisica din sac”, cum spun anglo-saxoni. Îmi amintesc încă, cu mai mult de douăzeci de ani în urmă, auzind pe Bernard Fontaine, pe care l-am cunoscut ca student tânăr și care ulterior a devenit, cred, directorul Departamentului „Fizică pentru Ingineri” la CNRS, spunându-mi: „dacă a lucrat cu tine, e exclus să poată continua cercetarea, să obțină un post sau orice altă poziție într-un laborator”.

Ca pedeapsă pentru cinci ani de efort și formare, se poate face mai rău.

Știți o chestiune: în spatele conceptului de universuri gemene, un adevărat schimbare de paradigmă, se ascund mult mai multe decât o explicație a unei largi paleti de fenomene cosmice. Este probabil motivul pentru care astrofizicienii au fost atât de reticenți să se așeze pe un asemenea „năduf de albine”.

Subiectul acestui dosar a fost artefactul. Vă voi da un exemplu. Când am realizat experimentele noastre de simulare la începutul anilor '90, s-a pus imediat problema condițiilor la limită. În spațiul nostru de calcul, infinitul nu există. Dar vroiam să studiem fricțiunea dinamică între o galaxie 2D și un mediu de materie gemelă, repulsiv dar auto-atractiv, care se întinde în principiu până la infinit. Soluția pe care am imaginat-o a fost să duplicăm acest spațiu de calcul după un pavaj regulat. În esență, ceea ce am studiat nu a fost o galaxie izolată, ci o infinitate de galaxii care reproduceau, după o perioadă spațială, același comportament, același model. Tehnic, aceasta însemna să presupunem că particulele situate într-unul dintre elementele acestui „carpă” sunt sensibile doar la acțiunea particulelor situate într-un dreptunghi trasat. Vedeți mai jos.

Pentru cine știe să vadă, aceasta revenea și la închiderea spațiului după un „tor plat, euclidian”:

Închiderea spațiului de calcul după un tor

I-am dat lui Landsheat condiții inițiale dificil construite cu ajutorul unei soluții analitice foarte complexe, derivate dintr-o specie de mecanică a fluidelor bidimensionale, tensoriale, pe care am trebuit să o creez pentru nevoile cauzei. Aceste condiții inițiale corespund ultimului desen. Aveam densități, descriind o felie centrală rotativă și un inel de confinare care corespund cu ceva de genul:

r: densitatea materiei, r: densitatea materiei gemelă.*

Am fost foarte mulțumiți să obținem o frumoasă spirală barată, stabilă pe un număr impresionant de rotații, în timp ce cele ale altora pierdeau imediat brațele. Am interpretat acest lucru ca fiind datorat faptului că materia gemelă situată la periferia galaxiei juca rolul unei bariere de potențial. Am evidențiat multe lucruri interesante, cum ar fi fenomenul de frânare a galaxiei în momentul formării structurii spirale:

Frânarea galaxiei în momentul formării structurii spirale prin interacțiune cu mediul de materie gemelă.

Această lucrare tendea, de asemenea, să arate că forma galaxiei depinde de raportul dintre mase (masa materiei gemelă față de masa materiei normale). Vedeți figura de mai jos:

Forma galaxiei în funcție de raportul maselor (materie gemelă față de materie normală)

Evoluția către o formă „de mașină de curse” (un clasic în bestiarul galactic) corespunde unei bariere de potențial puternice, legată de prezența materiei gemelă la periferie. Aceasta, acționând ca un corset, ar strânge brațele spirale, transformându-le într-un inel. Pe de altă parte (figura din stânga), un confinament prea slab duce la o structură spirală care tinde să devină instabilă. Un lucru de refăcut, mai bine, mai precis. Un alt subiect de teză. Un lucru care, în 1992, nu a interesat absolut nimeni.

Citiți această studie în acest articol, care a fost refuzat de numeroase reviste și, prin urmare, niciodată „publicat”. Cred că nimeni nu a vrut să creadă în aceste rezultate. În acea vreme, 1992, i-am arătat această animație „femeilor spirale” franceze: Lia Athanassoula și Françoise Combe. Aceasta din urmă mi-a declarat: „cu gaz rece obținem exact același lucru”. Dar era fals. Nu era decât o minciună: galaxiile sale spirale nu țineau mai mult de o rotație. Nici cele ale lui Athanassoula nu țineau (care a renunțat ulterior la subiect, în ciuda puterii de calcul de care dispunea, din lipsă de idei).

Dacă mergeți pe [această pagină](/fr/article/cosmo_astro-animation_1