Свежий номер №17-18 (442-443) / Грани астрокомпьютинга Дата публикации: 15.05.2002 Анна Портянкина, portyankina@linmpi.mpg.de Сергей Шеляг, sergey_shelyag@mail.ru - аспирант Института Макса Планка, Германия Если профессия астронома ассоциируется у вас с телескопами и темными безоблачными ночами, вы разочаруетесь, узнав, что большинство исследователей Вселенной проводит дни и ночи за мониторами, обрабатывая данные наземных и космических приборов и моделируя астрономические объекты. Рискнем предположить: сегодня большая часть науки астрономии делается при помощи компьютерного эксперимента. Окружающий мир для астронома - это набор черных ящиков, у которых непонятно что на входе, неизвестно что происходит внутри, а измерить можно только выходной сигнал, да и то далеко не всегда. Эксперимент, как его понимают, например, физики, астрономам практически недоступен, вся их надежда только на вычислительную технику. Компьютерные эксперименты можно условно разделить на два вида:
Самым ярким примером среди моделей «как в природе» является задача N тел. Как известно, аналитически она не решается, так что астрономам остается полагаться только на моделирование. Специально для этого даже строят суперкомпьютеры. Например, GRAPE 4 (GRAvity PipE 4) в Токио предназначен для моделирования процесса формирования галактик. Постановка эксперимента такова: область пространства, ограничена сферой радиусом 2 мегапарсека 1, в которой находятся 786 тысяч частиц, каждая массой около 4x106 солнечных масс. Гравитационная сила в этом случае является доминирующей, поэтому и используется алгоритм N тел. Разрешающая способность эксперимента - 140 парсек. Задача в такой постановке дает возможность смоделировать флуктуацию плотности в пространстве с равномерным распределением массы и проследить процесс формирования объектов типа скопления галактик (рис. 1, 8) На основе алгоритма N тел решается и задача моделирования слияния галактик (рис. 2, 7). Теперь взглянем на наше светило. Солнечная грануляция представляет собой не просто невероятно красивое зрелище, но и малоизученный процесс. Точной теории, описывающей кипящую в чайнике воду или конвекционный слой Солнца, который и ответственен за появление на солнечной поверхности пятен, ярких точек, гранул и многого другого, вы не найдете ни в одной книге. Максимум, что известно об этом слое, - он может описываться уравнениями магнитной гидродинамики (МГД). Они решаются только численными методами, в результате применения которых ученые получают четкую взаимосвязь глубинных процессов с поверхностными эффектами. Настольный компьютер для таких задач не подходит, даже на суперкомпьютере IBM RS/6000 SP с сорока восемью четырехпроцессорными узлами расчет модели размером 104х104х103 км с разрешением 20 км для нескольких часов солнечного времени занимает месяцы (рис. 3). Часто подобные задачи решаются с применением обоих подходов сразу: крупные области описываются магнитогидродинамической моделью, а более мелкие - как ансамбли взаимодействующих частиц. Например, при моделировании солнечного ветра (быстролетящая смесь заряженных частиц) для тяжелых ионов удобно решать МГД-уравнения, то есть представлять их как жидкость, а поток электронов описывать законами взаимодействия частиц друг с другом.
Другой тип задач, в которых определяющую роль играет компьютерный эксперимент, это моделирование процессов, недоступных прямому наблюдению из-за чрезвычайно быстрого или слишком медленного протекания. К первым относится, например, слияние нейтронных звезд, длящееся около 10 мс (рис. 4). Массивные компактные объекты (нейтронные звезды, черные дыры), вращаясь с бешеной скоростью, излучают гравитационные волны. Модели двойных систем позволяют оценить эти весьма тонкие эффекты «ряби» пространства-времени и рассчитать чувствительность приборов для их наблюдения (проекты LISA, LIGO 2). Медленно протекающий процесс тоже нельзя наблюдать непосредственно: слияние двух галактик занимает десятки миллионов лет, а эволюцию их скопления - и того больше. Но уже Pentium 200 МГц позволяет наблюдать эти явления, затратив на расчеты всего несколько месяцев. Правда, для этого придется принять несколько упрощающих допущений, например, то, что галактики - это материальные точки, которые сливаются согласно хитрому закону, при котором вероятность слияния галактик нелинейно зависит от их масс. Астрономы, как правило, работают с большими масштабами (начиная с одной астрономической единицы, равной радиусу орбиты Земли). Но им случается сталкиваться и с объектами помельче, например, с пылью, покрывающей поверхность тел, лишенных атмосферы. Изучение характеристик света, отраженного этими телами, - единственный способ получить информацию о свойствах астероидов и планет. Несмотря на то, что в наш информационный век межпланетные станции «бороздят просторы Вселенной» и даже образцы грунта привозят - этого недостаточно. Дело в том, что поверхность небесных тел имеет сложный рельеф, мелкомасштабная часть представляет собой реголит - порошкообразную среду, состоящую из плотноупакованных частиц случайной формы и размеров. Как ни странно, но закона, по которому она отражает свет, до сих пор не найдено. Тут и приходит на помощь компьютерный эксперимент. Генерируется реализация случайной среды (то есть поверхность тела). Моделируется пучок лучей с заданными характеристиками, которые по известным законам преломляются и отражаются от элементарных площадок поверхности частиц (рис. 5). Далее проводится анализ отраженного излучения: исследуется влияние шероховатости поверхности, формы составляющих реголит частиц и другие параметры. И на его основе строится такая теория отражения света, которая позволит удаленно определять свойства поверхности планет (они и сейчас определяются, но очень приблизительно). Налицо случай, когда компьютерное моделирование позволяет не только уточнять теорию (в частности, теорию рассеяния света), но быть частью теоретического процесса. Тут-то и возникает, наверное, самый серьезный вопрос: а может ли компьютерный эксперимент приводить к принципиальным ошибкам? Вовсе не исключено. Например, существует такая задача: по измеренной кривой блеска астероида (изменение яркости отраженного солнечного света во времени) определить его форму. Предпринималось множество попыток решения этой задачи, и над всеми можно повесить огромную вывеску с вопросом: а какое отношение это имеет к реальности? Допустим, написана программа, которая, учитывая мелкие особенности рельефа, может подобрать форму астероида таким образом, чтоб его кривая блеска удовлетворяла данным наблюдения. Так вот, проанализировав данные, программа назвала причиной уменьшения блеска впадину, а на самом деле всему виной - темное пятно на поверхности. И отличить одно от другого в пределах компьютерного эксперимента никак невозможно. Поэтому надо помнить: область применения компьютерного эксперимента ограничена. В природе всегда есть нечто, чего мы не знаем. А значит, обязательным условием проведения любого вычислительного эксперимента должно быть сравнение результатов расчета с данными наблюдений, если, конечно, таковые имеются.
В общем, компьютерный эксперимент пока не дает и, наверное, никогда не даст принципиально нового знания, однако он помогает разобраться с тем, что уже есть, разложить все по полочкам и раскрасить «белые пятна» имеющимися красками. P.S. Спасибо Е.Гринько за предоставленные результаты своей работы. 1 (обратно к тексту) - Парсек равен 3,26 светового года, или 3,086*1013 км. 2 (обратно к тексту) - См. www.ligo.caltech.edu и www.lisa.nasa.gov.
|