Самодельные звезды и галактики

Вселенная в компьютере

С.Б. ПОПОВ, кандидат физико-математических наук, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга

Компьютеры уже давно стали едва ли не главным инструментом любого астронома. Компьютер нужен для управления телескопами и спутниками, для накопления и обработки полученных на них данных. Конечно, компьютер необходим теоретику для численного моделирования. О некоторых примерах компьютерных экспериментов - от звезд до сверхскоплений - пойдет речь в этой статье.

От телескопа до компьютера - один шаг

В наше время астронома чаще можно увидеть не у окуляра телескопа, а перед экраном компьютера. И не только теоретика, но и наблюдателя, ведь теперь приемником изображения обычно служит ПЗС-матрица, и астрономы могут следить за изображением не в окуляр, а по монитору.

Использование компьютеров в астрономии, как и в других науках, чрезвычайно разнообразно. Это и автоматизация наблюдений, и обработка их результатов, и работа с большими каталогами, и небесно-механические расчеты. Не забудем о компьютерных сетях, без которых уже невозможно представить себе современную науку. Даже при написании статей компьютер теперь совершенно необходим. Здесь мы подробнее поговорим о довольно специфическом применении компьютера в астрофизике - компьютерных экспериментах.

Компьютерное моделирование самых разных процессов, от физических до социальных, развивается уже более 50 лет, с первого появления ЭВМ. Часто это связано не столько с большим объемом вычислений, сколько с очень сложным характером исследуемых процессов, которые не поддаются аналитическому описанию. Иногда проще показать, чем рассказать, и дисплей дает такую возможность.

Выделим четыре важных направления численных расчетов в астрофизике: моделирование спектров и кривых блеска небесных объектов, гидродинамическое моделирование, популяционный синтез и расчеты крупномасштабной структуры. Безусловно, этим все не ограничивается, и данные четыре класса не исчерпывают многообразия численных экспериментов в астрономии, но при описании сложного явления всегда приходится чем-то пренебрегать.

Наблюдения на компьютере

Астрономия - необычная наука. Ей, как правило, недоступны непосредственные эксперименты с объектами исследований: звезду не засунешь в пробирку! Все, что мы имеем, -различные виды излучения: в первую очередь -электромагнитное. Кроме него - гравитационное излучение, потоки нейтрино и космических лучей. Астрономы только подсматривают и подслушивают! Им нужно научиться извлекать максимум информации из наблюдений и воспроизводить их в расчетах для проверки гипотез, описывающих эти наблюдения.

Результаты наблюдений (спектры, кривые блеска и т.д.) астрономы пытаются интерпретировать, т.е. выдвигают гипотезы о том, какое физическое тело и при каких условиях может проявлять себя подобным образом. Гипотезы нужно подтвердить расчетами, т.е., используя некоторые предположения и известные физические за- коны, попытаться воспроизвести результаты как можно точнее. Поэтому моделирование спектров и кривых блеска чрезвычайно важно. Моделируются кривые блеска сверхновых звезд, спектры аккреционных дисков и многое-многое другое (Земля и Вселенная, 1994, № 2). Отметим, например, моделирование спектров нейтронных звезд с учетом тончайших (порядка одного сантиметра!) атмосфер различного химического состава, проводимое Г. Павловым, В. Завлиным и их коллегами из ФТИ им. Иоффе (Санкт-Петербург). Учет многочисленных физических эффектов (к примеру, сильных магнитных и гравитационных полей) позволяет получить спектры, которые совпадают с наблюдаемыми спектрами радиопульсаров и других одиночных нейтронных звезд. Именно положительные результаты таких сравнений позволяют сказать, что мы правильно понимаем природу тех или иных астрофизических объектов.

Буря в кристалле

Всем известно выражение "буря в стакане воды". Но буря в природе - мощный и сложный гидродинамический процесс, и для его исследования необходимо привлекать сложные методы численного моделирования. Не случайно одни из самых мощных компьютеров находятся в крупных гидрометеоцентрах. Какие "электронные бури" разыгрываются в кристаллах процессоров при их работе!

В астрофизике аналогами "бурь" можно считать взрывы сверхновых (Земля и Вселенная, 1989, № 2), аккреционные процессы в тесных двойных системах (Земля и Вселенная, 1985, №6;1987,№3;1999,№1), формирование звезд и другие явления, сопровождающиеся сложными течениями вещества. Эти проблемы интенсивно изучаются, например, в Институте прикладной математики и Институте теоретической и экспериментальной физики - учреждениях, судя по названиям, совсем не астрономических. Пополним список: джеты в активных ядрах галактик (Земля и Вселенная, 1994, №№4, 5), молодых звездах (Земля и Вселенная, 1995, №1) и тесных двойных системах (Земля и Вселенная, 1994, № 2), разрушения звезд в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры, слияния двойных нейтронных звезд и черных дыр.

Гидродинамический расчет слияния нейтронных звезд (из работы К. Охара и Т. Накамура, Япония). Контурами показана плотность, стрелками -скорость. Время (в правом верхнем углу квадратов) в миллисекундах. Окружность - гравитационный радиус черной дыры, равной по массе сумме двух сливающихся объектов.

Последний сюжет имеет отношение к генерации гравитационных волн и, по-видимому, к гамма-всплескам (Земля и Вселенная, 1993, № 2). Их природа, несмотря на значительные успехи, достигнутые после наблюдений в различных диапазонах спектра, все еще не ясна. Гравитационные волны были предсказаны общей теорией относительности (Земля и Вселенная, 1988, № 6). Возникают они при вращении несимметричных тел, например в двойных звездных системах. Косвенное, но несомненное подтверждение их существования получено при изучении двойного радиопульсара PSR 1913 + 16 (системы из двух нейтронных звезд, одна из которых - пульсар, посылающий периодические радиосигналы). Параметры его орбиты изменяются в точном соответствии с расчетами потерь энергии на излучение гравитационных волн в рамках Общей теории относительности. За открытие первого такого объекта и подтверждение предсказаний общей теории относительности Хале и Тейлор получили в 1993 г. Нобелевскую премию по физике.

Для регистрации гравитационных волн строятся несколько детекторов, чуть ли не самых дорогостоящих наземных приборов за всю историю науки. Очевидно, что успешная регистрация слабого сигнала на фоне разнообразных и многочисленных шумов (а именно такая картина ожидается в детекторах гравитационных волн) требует возможно более точного представления о форме искомого сигнала. Поэтому не следует экономить на теоретических исследованиях слияний двойных компактных объектов и других процессов - вероятных источников гравитационных волн. Создан специальный проект "Grand Challenge" ("Большой Вызов" или "Большая Проблема") для моделирования слияний черных дыр и нейтронных звезд. Расчеты осложняются необходимостью учета эффектов общей теории относительности. Разные группы исследователей проводят вычисления в некоторых приближениях, более-менее достоверно описывающих реальность. Можно надеяться, что еще до регистрации реального гравитационного сигнала его форма станет достаточно точно известна благодаря компьютерному моделированию.

Самодельные звезды и галактики

При проведении даже не очень сложных вычислений, но повторяющихся многократно, лучше один раз написать программу, а компьютер уже сам воспроизведет все математические операции нужное число раз (единственное ограничение - быстродействие компьютера). Так что для расчетов параметров больших популяций астрономических объектов (звезд, тесных двойных систем, нейтронных звезд и т.п.), где необходимо просчитывать миллионы и миллионы похожих систем, активно используются численные методы. Называется это -популяционный синтез. Одна из сложных проблем - расчет интегральных спектров галактик.

М82 - галактика с мощным звездообразованием. Для изучения звездного населения подобных объектов активно используют численные методы.

Для далеких систем мы можем получить только спектр галактики в целом. Чтобы осмыслить полученные данные, необходимо промоделировать современный звездный состав галактики, понять историю звездообразования в ней, определить основные параметры популяций звезд: начальную функцию масс, химический состав и т.д. (Земля и Вселенная, 2000, № 3). И все же случается, что, восстанавливая по спектру галактики ее звездный состав, группы исследователей получают весьма различающиеся картины. Иногда результаты, полученные при рассмотрении только одиночных звезд, вступают в противоречие с результатами расчета при учете кратности звезд. Необходим комплексный подход к проблеме, учитывающий и двойные, и одиночные звезды.