Astrofiziksel gaz simülasyonu, yıldızlararası gaz

Yapaylar

10 Mayıs 2004

Bir yapay nedir? Larousse sözlüğüne göre, bir deneyim veya gözlem sırasında ortaya çıkan, rastgele ya da yapay bir yapıdır. Dijital simülasyonların, "hesaplama deneyimleri" olarak kabul edildiği düşünülürse, bu simülasyonlarda sürekli bir yapay arayışı vardır. Bir şeyi simüle etmek, başka bir sistemi, analog bir sistemle, bir olayı yeniden üretmeye çalışmak anlamına gelir. Bir aero dinamikçi bu tür bir sorunla karşılaşır. Yoğun ya da sıcak bir gaz, seyrek ya da soğuk bir gazla aynı şekilde davranmaz. Akışkanlar mekaniğinde bu olaylar, Reynolds sayısı gibi benzerlik kriterlerine göre, en azından mümkün olan en yüksek doğrulukla incelenmiştir. Ancak, on yılca deneyler yapılmış olsa bile, uçak mühendisleri bazen büyük sürprizlerle karşılaştılar. Örneğin, büyük askeri taşıyıcı Lookheed Galaxy inşa edilirken, bu uçak, bir aeroelastisite olayına karşı hassas olduğunu ortaya çıkardı: kanatlarını... sallamaya başladı. Bu durum, rüzgar tüneli deneyleri ve dijital simülasyonlar tarafından hiç gözlemlenmemişti. Bu titreşimler felaket olabilir. Çünkü bir uçağın yapısal yaşlanması, malzemenin yorgunluk olayıyla doğrudan ilişkilidir. Bu uçağın kanat yapısını değiştirmek yerine, kanatların sallanmasını, küçük kanatçıklarla kontrol eden bir sistem yerleştirildi. Amerikan Uzay Mekikleri için de benzer bir sorun vardı ve bu sorunlar en kritik hâle gelmişti. Çünkü tasarımcılar, uçağın tüm hava katmanlarında uçuş yeteneklerini önceden planlamak zorundaydı; bu katmanlar, en seyrek havadan en yoğun havaya kadar değişiyordu. Bu koşullarda "itme merkezi" hareket ediyordu. İlk uçuş sırasında felaketin eşiğindeydi. Standart yük olarak kabul edilen bir yük alındığında, mekik aniden sallanmaya başladı, pilotun kumandayı göğsüne dayaması gerekti. Uçak neredeyse ters dönerek, üst kısmındaki fırın tuğlalarına zarar verdi. Bu tuğlalar, bu kadar yüksek ısınmaya dayanacak şekilde tasarlanmamıştı. Uçak, sadece son anda uçuş pozisyonuna döndü. NASA ne yaptı? Makineyi yeniden çizmek yerine, tüm yükleri ... arka tarafa yerleştirdi. Uyduların, yüklerin bağlandığı yere bakarsanız, hep arka tarafta olduğunu görürsünüz. Bu gerçek çok az bilinir. NASA bunu kesinlikle gururla anlatmaz. Bunu bir deneme pilotu anlattı.

Astrofizikte, ekran üzerinde gelişen sistemleri doğrudan gözlemleme imkanımız yoktur. Astronomik olarak, sürekli bir fotoğraf duraklaması içindeyiz. Bu yüzden sorun本质 olarak zordur. Ayrıca, her şeyi ölçmeyiz. Gazın kinetik teorisi bölümünde, "hız uzayında" ortamın yapısından bahsetmiştik. Bu bilgiye, Güneş'in çevresinde yalnızca erişebileceğimizi belirtmiştik ve bunun bir süre daha değişmeyeceğini ummak da pek mümkün değil.

Zamanla ölçümler önemli ölçüde inceleşecektir. Hata çubukları daralacaktır. Ancak örneğin bir spiral galaksiyi alalım. "Hız eğrisi" denilirken ne kastediyoruz?

Radyal hız bileşenini Doppler etkisiyle ölçeriz. Daha sonra galaksinin neredeyse düzlemsel olduğunu ve gaz kütlesinin hareketlerinin neredeyse dairesel olduğunu varsayarız. Bu durumda, yıldızların %90'ını oluşturan bir kütle çekim alanındaki gazın hız eğrisi çıkarılır. Neden gaz kütlesinin yörüngelerinin neredeyse dairesel olduğunu varsayıyoruz? Çünkü bu gazın hız farkları (ısısal hareketin hızı olarak karşılık gelir) çok küçük, yaklaşık 1 km/s civarındadır. Bu da dönen hızın yanında çok küçüktür. Astronomlar her zaman "kalıntı hız"dan bahseder; orta hareketin çıkarılmasıyla kalan hızdır, yani "makroskobik hareket"e denk gelir.

Hafif bir ayrıntı: Yıldızlararası gaz neyden oluşur? Bu, çok karmaşık bir ortamdır. Ortamda genellikle yüz bin güneş kütlesine karşılık gelen "bulutlar" bulunur, ardından daha düşük kütleli bir dizi bulut spektrumu vardır. Bu yüzden bu, gazın kinetik teorisi anlamında "çeşitli türlerin karışımı"dır. Ancak işlerin zorlaştığı yer, bu gaz kütlesinin kararlı olmadığını, genç yıldızlara yol açmasıdır. Bu genç yıldızlar, ultraviyole ışınları saçar ve gazı ısıtır. Daha da şiddetli olan şey, süpernova olayıdır. Bu olayların etki yarıçapı 100 ışık yılına kadar ulaşabilir: gaz kütlesinin kalınlığı. Bu büyük yıldızların patlama hızı 100 yılda bir olarak tahmin edilir. Bu, galaksinin kendi etrafında bir tur atması için çok hızlı bir tempodur. Galaksimiz 100 milyon yıl içinde bir tur atar. Bu da her turda bir milyon süpernova anlamına gelir! Bu süpernovalar, yıldızlararası gazın yerel yapısını önemli ölçüde değiştirir. Doktora tezimde (1972) yıldızlararası gazı, içinde küçük patlayıcılar patlayan, hızlı bir tempoda patlayan, düzensizliği ve gazın enerji seviyesini koruyan bir yatak örtüsüne benzetmiştim.

Bunun gibi bir şeyi nasıl modelleyip simüle edebiliriz? Hem bir anlık bakışta yıldızlararası gaz, çok geniş bir spektruma yayılmış kütleye sahip bulutların karışımı gibi görünür, hem de bu bulutlar kalıcı değildir. Bunlar dağılır, buharlaşır, daha sonra biraz daha uzakta yeniden oluşur. Bu süreç, bizim tam olarak ölçebildiğimiz bir tempoda gerçekleşmez; çünkü yeterince uzun yaşamıyoruz. Biraz da saniyenin birkaç kesri kadar ömrü olan bir böcek gibi, bulutları izleyip meteorolojik mekanizmaları anlamaya çalışıyoruz. Yıldızlararası bulutlar ile gök bulutları arasındaki karşılaştırma oldukça iyi bir benzetmedir.

Şu an, birkaç bin noktayı yönetebiliyoruz. Belki yakın gelecekte daha fazlasını yönetebiliriz. Ama yıldız oluşumunu, yıldızlararası gaz kütlesini ısıtma gibi şeyleri simüle edecek kadar noktayı yönetebilir miyiz? Bu hâlâ oldukça sorunlu. Daha mütevazı kalmamız gerekecek. Bu da, daha az ya da daha çok haklı bir şekilde basitleştirme yapmamızı gerektirir. "Ağaç, meyvelerine göre değerlendirilir" denir. Biz de bunu yapacağız. Makine, kendi başına hiçbir şey değildir; mekanizmaların bir görüşüne, sezgisel bir anlayışa ihtiyaç duyar. Bu sezgisel anlayış, yeni nesil astrofizikçilerde yoktur. Ciel et Espace dergisinde sunulan bir dosyada simülasyoncular, "Aletlerimiz var ama denklemlerimiz yok" demişler. Bu cümleyle, hiçbir şeyi anlamadıklarını, hiçbir yön gösterici fikirleri olmadığını, sadece kullanamadıkları büyük hesaplama imkanları olduğunu itiraf etmişlerdir.

Bir simülasyon çalışmasının temelinde, test edilecek fikirler olmalıdır. Bu, insan ve makine arasında çok ilginç bir diyalogtur. Örneğin, Frédéric B