Симуляція астрофізики, міжзоряний газ
Артефакти
10 травня 2004 року
Що таке артефакт? Ларусс пояснює, що це структура, що виникає випадково або штучно під час експерименту або спостереження. Можна сказати, що числові симуляції на комп'ютері, які є «обчислювальними експериментами», передбачають постійну боротьбу з артефактами. Коли ми намагаємося симулювати, це означає, що ми намагаємося відтворити явище за допомогою «чогось іншого», іншої системи, аналогічної. Аеродинамік стикається з подібною проблемою. Густий або гарячий газ поводиться інакше, ніж розріджений або холодний. У гідродинаміці ці явища були, хоч і не повністю вивчені, але досліджені з максимально можливою точністю за критеріями подібності (наприклад, число Рейнольдса). Але навіть після десятиліть експериментів конструктори літаків іноді отримували жорстокі сюрпризи. Наприклад, коли був побудований великий військовий літак Lookheed Galaxy, виявилося, що він чутливий до явища аероеластичності: він почав... махати крилами, що ніяк не було виявлено в вітрових трубах і числових симуляціях. Ці коливання могли стати катастрофічними. Дійсно, втома конструкції літака в основному пов'язана з явищем втоми матеріалів. Замість того, щоб змінювати конструкцію крил цього апарату, було вирішено оснастити його системою, що підтримує керування за допомогою відводів, щоб протидіяти цьому руху «вібрації». Подібна проблема виникла і з американською космічною шаттлом, яка викликала найбільш гострі проблеми. Дійсно, конструктори повинні були врахувати його літальні якості в усіх шарах повітря, що варіювали від найбільш розрідженого до найгустішого. У цих умовах центр тиску змінювався. Під час першого польоту майже сталася катастрофа. Отримавши те, що вважалося стандартним навантаженням, шаттл раптом став підніматися, настільки, що пілот мав відсунути кермо вниз. Апарат майже вийшов на спину, що призвело до пошкодження плиток на верхній частині, які взагалі не були розраховані на нагрівання. Апарат відновив свій літальний режим лише з великим трудом. Що зробила НАСА? Замість переробки машини вона вирішила помістити всі навантаження... у задню частину. Якщо ви подивитеся на те місце, де кріплять супутники та навантаження, то побачите, що вони завжди розташовані у задній частині. Це дуже мало відомо. НАСА, звісно, не вигукувала про це. Я дізнався про це від пілота-испытателя.
У астрофізиці немає можливості порівнювати системи, які ми бачимо на екрані, з безпосереднім спостереженням. Астрономічно ми постійно зупиняємося на одному кадрі. Тому проблема є засадничо складною. Крім того, ми не вимірюємо все. Ми говорили у розділі кінетичної теорії газів про структуру середовища «у просторі швидкостей». Ми додали, що маємо доступ до цієї інформації лише в околицях Сонця, і не варто сподіватися, що це станеться інакше в близькому майбутньому.
З часом вимірювання будуть значно вдосконалені. Помилки зменшуються. Але, наприклад, уявімо собі спіральну галактику. Про що йдеться, коли мова йде про «криву швидкості»?
Ми вимірюємо радіальну складову швидкості через ефект Доплера. Припускаючи, що галактика майже плоска і рух мас газу майже круговий, ми виводимо криву швидкості газу, що обертається в гравітаційному полі, яке на 90% створюється зірками (принаймні так припускали довгий час). Чому ми припускаємо, що траєкторії мас газу майже кругові? Тому що різниця швидкостей між ними (еквівалентна швидкості теплового руху) невелика, порядку 1 км/с. Це мало порівняно з оцінкою швидкості обертання. Астроном завжди буде говорити про «залишкову швидкість», тобто ту, що залишається після віднімання середнього руху, що відповідає «макроскопічному руху».
Невелика відступка: з чого складається міжзоряний газ? Це дуже складне середовище, де можна знайти «хмари», що зазвичай мають масу в 100 тисяч сонячних мас, а також весь спектр хмар меншої маси. Отже, це «суміш різних видів» у сенсі кінетичної теорії газів. Але там, де справи ускладнюються, це те, що ці газові маси нестійкі. Вони породжують молоді зірки, які випромінюють ультрафіолет і нагрівають цей газ. Ще більш сильним є явище наднової,