Моделирование астрофизических явлений: межзвёздный газ

Артефакты

10 мая 2004 года

Что такое артефакт? Словарь Ларусс объясняет, что это случайная или искусственная структура, возникающая в ходе эксперимента или наблюдения. Можно сказать, что численное моделирование на компьютере, являющееся «расчётным экспериментом», требует постоянной борьбы с артефактами. Когда мы стремимся моделировать, мы пытаемся воспроизвести явление с помощью «чего-то другого», другого, аналогичного системы. Аэродинамик сталкивается с подобной проблемой. Плотный или горячий газ ведёт себя иначе, чем разреженный или холодный. В гидродинамике эти явления, если и не изучены идеально, то, по крайней мере, исследованы с максимальной точностью с учётом критериев подобия (например, число Рейнольдса). Однако, несмотря на десятилетия экспериментов, авиастроители иногда сталкивались с серьёзными сюрпризами. Например, когда был построен большой военный самолёт Lookheed Galaxy, оказалось, что он подвержен явлению аэроупругости: самолёт начал... махать крыльями, что не было обнаружено ни в аэродинамических трубах, ни в численных симуляциях. Эти колебания могли оказаться катастрофическими. Дело в том, что износ конструкции самолёта в основном связан с явлением усталости материалов. Вместо того чтобы изменять конструкцию крыльев, решили оснастить самолёт системой автоматического управления, которая с помощью элеронов компенсировала это движение «флаттера». Аналогичная проблема возникла и у американской космической шаттла, которая была особенно серьёзной. Дизайнеры должны были обеспечить его летные качества на всех слоях атмосферы — от наиболее разрежённой до наиболее плотной. При таких условиях центр тяги перемещался. При первом полёте почти произошла катастрофа. Получив, как считалось, стандартную нагрузку, шаттл резко начал пикировать, так что пилоту пришлось прижать штурвал к животу. Самолёт почти перевернулся, что привело к повреждению плиток на верхней части, которые вообще не предназначались для переноса высоких температур. Самолёт едва не потерял устойчивость. Что сделала НАСА? Вместо переработки конструкции решили перенести все нагрузки... назад. Если вы посмотрите на место крепления спутников и грузов, то увидите, что они всегда размещаются в хвостовой части. Этот факт мало кому известен. НАСА, конечно, не хвасталась этим. Я узнал об этом от одного из лётчиков-испытателей.

В астрофизике у нас нет возможности сравнить систему, которую мы видим на экране, с прямым наблюдением. Астрономически мы постоянно застыли на одном кадре. Проблема поэтому по своей сути сложна. Кроме того, мы не измеряем всё. В разделе теории кинетики газов мы говорили о структуре среды «в пространстве скоростей». Мы добавили, что доступ к этой информации у нас есть только вблизи Солнца, и не следует ожидать, что это изменится в ближайшем будущем.

С течением времени измерения будут значительно уточнены. Погрешности сократились. Но возьмём, к примеру, спиральную галактику. О чём идёт речь, когда говорят о «кривой скорости»?

Мы измеряем радиальную компоненту скорости с помощью эффекта Доплера. Затем, предполагая, что галактика почти плоская и движения газовых масс почти круговые, мы выводим кривую скорости газа, вращающегося в гравитационном поле, в котором 90 % создаётся звёздами (по крайней мере, так считали долгое время). Почему мы предполагаем, что траектории газовых масс почти круговые? Потому что разница в скоростях между ними (эквивалентная скорости теплового движения) мала — порядка 1 км/с. Это мало по сравнению со скоростью вращения. Астроном всегда будет говорить о «остаточной скорости» — той, что остаётся после вычитания среднего движения, эквивалентного «макроскопическому движению».

Небольшое отступление: из чего состоит межзвёздный газ? Это чрезвычайно сложная среда, в которой можно найти «облака», обычно содержащие около ста тысяч солнечных масс, а также весь спектр облаков меньшей массы. Это, таким образом, «смесь видов» в смысле кинетической теории газов. Но там, где всё усложняется, заключается то, что эти газовые массы нестабильны. Они порождают молодые звёзды, которые излучают ультрафиолет и нагревают газ. Ещё более разрушительным является явление сверхновой, радиус действия которой достигает сотни световых лет — толщины газовой пластины. Частота взрывов массивных звёзд оценивается примерно в одну в столетие. Это очень высокая частота по сравнению с периодом вращения галактики — у нас один оборот занимает около ста миллионов лет. Это означает миллион сверхновых за один оборот! Эти сверхновые существенно изменяют локальную структуру межзвёздного газа. В моей докторской диссертации (1972 год) я сравнивал межзвёздный газ с одеялом, наполненным перьями, внутри которого взрывались маленькие петарды с высокой частотой, поддерживая беспорядок и высокий уровень энергии газа.

Как же моделировать и симулировать всё это? Во-первых, на мгновенный взгляд межзвёздный газ напоминает смесь облаков, массы которых распределены по очень широкому спектру, но эти облака не сохраняются. Они рассеиваются, испаряются, а затем снова формируются чуть дальше, с частотой, которую мы не можем точно оценить, поскольку не живём достаточно долго. Мы немного похожи на насекомых, чьи жизненные циклы длятся лишь доли секунды, наблюдающих кучевые облака и пытающихся понять метеорологические механизмы. Сравнение межзвёздных облаков с облаками на небе не так уж и плохое.

В настоящее время мы можем управлять несколькими тысячами точек. Возможно, чуть больше в ближайшем будущем. Но сможем ли мы управлять достаточным количеством точечных масс, чтобы моделировать образование звёзд и нагрев межзвёздного газа? Это остаётся очень проблематичным. Нам придётся оставаться скромными. Это будет вынуждать нас к определённой схематизации, более или менее оправданной. Говорят, что судят дерево по плодам. Мы сможем делать только это. Машина сама по себе ничего не значит без взгляда на механизмы, без интуитивного понимания. Такой взгляд отсутствует у новой генерации астрофизиков. В одном докладе, представленном в журнале «Небо и Вселенная», лидеры моделирования заявили: «У нас есть инструменты, но у нас нет уравнений». Через эту фразу они признавали, что у них нет никакого представления о явлениях, никакого руководящего видения, никакой настоящей идеи для проверки — только огромные вычислительные мощности, которыми они не вполне умеют пользоваться.

В основе любого моделирования должны быть идеи для проверки. Это настоящий диалог между человеком и машиной, очень интересный. Посмотрим, например, на текущий результат работы Фредерика Баудемон:

Это красиво, впечатляюще, но имеет ли это значение? Мы скажем, что это обнадёживающе, очень обнадёживающе, как обнадёжительны были симуляции, которые я делал в 1992 году с другим Фредериком. Речь идёт о 2D, а не о 3D. Это «плоский газ». Можно надеяться, что «галактическая жидкость» проявит благоразумие и поведёт себя подобным образом, когда мы оснастим её компонентами...