Mô phỏng thiên văn học: khí liên sao

Thủ phạm

10 tháng 5 năm 2004

"Thủ phạm" là gì? Từ điển Larousse giải thích rằng đó là một cấu trúc ngẫu nhiên hoặc nhân tạo xuất hiện trong một thí nghiệm hoặc quan sát. Có thể nói rằng các mô phỏng số trên máy tính, vốn là những "thí nghiệm tính toán", luôn phải đối mặt với việc tìm kiếm và loại bỏ những thủ phạm. Khi ta cố gắng mô phỏng, nghĩa là cố gắng tái tạo một hiện tượng bằng "một thứ gì đó khác", một hệ thống thay thế, tương tự. Một kỹ sư khí động học sẽ phải đối mặt với vấn đề tương tự. Một khí dày đặc hoặc nóng không hành xử giống như một khí loãng hoặc lạnh. Trong cơ học chất lưu, các hiện tượng này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, nếu không hoàn hảo thì cũng được khảo sát với độ chính xác cao nhất theo các tiêu chuẩn tương tự (như số Reynolds). Nhưng dù đã trải qua hàng thập kỷ thí nghiệm, các nhà chế tạo máy bay đôi khi vẫn gặp phải những bất ngờ lớn. Ví dụ, khi chế tạo chiếc máy bay vận tải quân sự khổng lồ Lookheed Galaxy, người ta phát hiện ra rằng nó nhạy cảm với hiện tượng dao động khí động học: nó bắt đầu... rung cánh, điều mà các thí nghiệm trong ống gió và mô phỏng số hoàn toàn không phát hiện ra. Những dao động này có thể dẫn đến thảm họa. Thực tế, sự lão hóa của cấu trúc máy bay chủ yếu liên quan đến hiện tượng mỏi vật liệu. Thay vì thay đổi cấu trúc cánh, người ta đã quyết định trang bị cho máy bay một hệ thống điều khiển tự động, dùng các cánh máy bay để chống lại chuyển động "rung" này. Vấn đề tương tự cũng xảy ra với Tàu con thoi Mỹ, vốn gây ra những vấn đề nghiêm trọng nhất. Thật vậy, các nhà thiết kế phải dự đoán khả năng bay của nó trong mọi lớp không khí mà nó đi qua, từ loãng nhất đến đặc nhất. Trong điều kiện đó, "điểm đẩy" sẽ di chuyển. Trong chuyến bay đầu tiên, họ gần như chạm đến thảm họa. Nhận được tải trọng mà họ cho là chuẩn, tàu con thoi đột ngột trở nên khó điều khiển, đến mức phi công phải dùng tay đẩy cần điều khiển xuống bụng. Chiếc tàu gần như lật ngửa, gây hư hại cho các tấm cách nhiệt ở phần trên, vốn hoàn toàn không được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao. Máy bay chỉ kịp lấy lại trạng thái bay đúng lúc. NASA đã làm gì? Thay vì thiết kế lại máy bay, họ quyết định dồn tất cả tải trọng... về phía sau. Nếu bạn nhìn nơi người ta neo các vệ tinh, các tải trọng, thì luôn đặt ở phía sau. Sự thật này rất ít được biết đến. NASA chắc chắn không tự hào về điều đó. Tôi biết điều này từ một phi công thử nghiệm.

Trong thiên văn học, chúng ta không thể so sánh hệ thống mà ta quan sát trên màn hình với quan sát trực tiếp. Về mặt thiên văn, chúng ta luôn bị mắc kẹt trong một khung hình tĩnh. Vì vậy, vấn đề về bản chất là rất phức tạp. Hơn nữa, chúng ta không đo đạc được tất cả mọi thứ. Chúng ta đã nói đến cấu trúc môi trường "trong không gian vận tốc" trong phần lý thuyết động học khí. Chúng ta đã bổ sung rằng ta chỉ có thể truy cập thông tin này trong vùng gần Mặt Trời, và không thể hy vọng điều đó sẽ thay đổi trong thời gian dài sắp tới.

Theo thời gian, các phép đo sẽ được tinh chỉnh đáng kể. Các khoảng sai số đã được thu hẹp. Nhưng hãy lấy một thiên hà xoắn làm ví dụ. Người ta nói đến "đường cong vận tốc". Điều đó có nghĩa là gì?

Ta đo thành phần vận tốc dọc trục, thông qua hiệu ứng Doppler. Sau đó, giả sử thiên hà gần như phẳng và các chuyển động của khối khí là gần tròn, ta suy ra đường cong vận tốc của khí quay quanh một trường hấp dẫn mà 90% được tạo ra bởi các ngôi sao (ít nhất là ta đã giả định như vậy trong thời gian dài). Tại sao ta lại giả sử quỹ đạo của các khối khí gần như tròn? Vì sự khác biệt về vận tốc giữa chúng (tương đương với vận tốc dao động nhiệt) rất nhỏ, khoảng 1 km/s. Nhỏ so với ước tính vận tốc quay. Nhà thiên văn học luôn nói đến "vận tốc còn lại", tức là phần còn lại sau khi đã trừ đi chuyển động trung bình, tương đương với "chuyển động vĩ mô".

Lệch chủ đề một chút: khí liên sao được tạo thành từ những gì? Đây là một môi trường cực kỳ phức tạp, nơi ta sẽ tìm thấy những "đám mây" thường có khối lượng bằng khoảng một trăm nghìn khối lượng Mặt Trời, rồi một dải rộng các đám mây có khối lượng nhỏ hơn. Vì vậy, đây là một "hỗn hợp các loại", theo nghĩa của lý thuyết động học khí. Nhưng điều làm cho vấn đề trở nên phức tạp hơn là những khối khí này không ổn định. Chúng sinh ra các ngôi sao trẻ, phát ra tia cực tím và làm nóng khí. Hiện tượng siêu tân tinh còn dữ dội hơn, với phạm vi tác động lên tới hàng trăm năm ánh sáng: độ dày của lớp khí. Người ta ước tính tần suất nổ của những ngôi sao khối lượng lớn là một lần mỗi thế kỷ. Đây là một tần suất rất nhanh so với quy mô quay của thiên hà, mà thiên hà của chúng ta mất khoảng 100 triệu năm để quay một vòng. Điều đó có nghĩa là có một triệu siêu tân tinh mỗi... vòng! Những siêu tân tinh này làm thay đổi đáng kể cấu trúc cục bộ của khí liên sao. Trong luận án tiến sĩ của tôi (năm 1972), tôi đã so sánh khí liên sao với một chiếc chăn bông chứa đầy những chiếc lông vũ bên trong, trong đó những quả pháo nhỏ nổ liên tục với tần suất cao, duy trì sự hỗn loạn và mức năng lượng của khí.

Làm thế nào để mô hình hóa, mô phỏng tất cả điều này? Không chỉ trong một hình ảnh tức thời, khí liên sao trông giống như một hỗn hợp các đám mây với khối lượng phân bố theo một phổ rất rộng, mà những đám mây này cũng không tồn tại lâu dài. Chúng bị phân tán, bốc hơi, rồi tái hình thành ở một vị trí khác, với một tần suất mà chúng ta không thể đánh giá chính xác, vì chúng ta không sống đủ lâu. Chúng ta giống như những con côn trùng có tuổi thọ chỉ vài phần giây, đang ngắm những đám mây tích tụ và cố gắng hiểu cơ chế thời tiết. So sánh giữa các đám mây liên sao và đám mây trên trời không phải là quá tệ.

Hiện nay, chúng ta có thể xử lý vài nghìn điểm. Có lẽ nhiều hơn trong tương lai gần. Nhưng liệu chúng ta có thể xử lý đủ điểm khối lượng để mô phỏng sự hình thành ngôi sao, làm nóng các khối khí liên sao không? Vẫn còn rất nhiều vấn đề. Chúng ta phải giữ thái độ khiêm tốn. Điều này sẽ luôn buộc chúng ta phải đơn giản hóa một cách có lý, hoặc không. Người ta nói rằng người ta đánh giá cây bằng quả. Chúng ta chỉ có thể làm được điều đó. Máy tính, về bản chất, chẳng là gì nếu không có một nhìn nhận về các cơ chế, một trực giác. Trực giác này đang thiếu trong thế hệ thiên văn học trẻ. Trong một báo cáo được trình bày trên tạp chí Ciel et Espace, các nhà mô phỏng hàng đầu nói: "Chúng tôi có công cụ, nhưng chúng tôi không có 'phương trình'". Qua câu nói này, họ thừa nhận rằng họ không có bất kỳ hình dung nào về vấn đề, không có hướng dẫn trực tiếp, không có ý tưởng thực sự để kiểm nghiệm, chỉ có những công cụ tính toán khổng lồ mà họ không thực sự biết cách sử dụng.

Để thực hiện một mô phỏng, điều kiện tiên quyết là phải có những ý tưởng để kiểm nghiệm. Đó là một cuộc đối thoại thực sự giữa con người và máy tính, rất thú vị. Ví dụ, hãy xem kết quả hiện tại từ công trình của Frédéric Baudemont:

Đẹp, ấn tượng, nhưng có ý nghĩa không? Chúng tôi sẽ nói rằng điều đó rất đáng khích lệ, rất đáng khích lệ, giống như các mô phỏng mà tôi từng làm năm 1992 với một Frédéric khác. Đó là mô phỏng 2D chứ không phải 3D. Đó là một "khí phẳng". Chúng ta có thể hy vọng rằng "dòng chất lỏng thiên hà" sẽ có ý thức hành xử tương tự khi ta trang bị cho các thành phần