Después de cinco años, Viaje de 1,74 mil millones de millas, La nave espacial Juno de la NASA entró en la órbita de Júpiter en julio de 2016, para comenzar su misión de recopilar datos sobre la estructura, atmósfera, y campos magnéticos y gravitacionales del misterioso planeta.

Para el geofísico de UCLA Jonathan Aurnou, el momento no podría haber sido mucho mejor.

Justo cuando Juno llegó a su destino, Aurnou y sus colegas de la Infraestructura Computacional para la Geodinámica (CIG) habían comenzado a realizar simulaciones tridimensionales masivas en la Instalación de Computación de Liderazgo de Argonne (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. para modelar y predecir los turbulentos procesos interiores que producen el intenso campo magnético de Júpiter.

Si bien el momento de los dos esfuerzos de investigación fue coincidente, presenta una oportunidad para comparar las observaciones de Júpiter más detalladas jamás capturadas con las simulaciones de Júpiter de mayor resolución jamás realizadas.

Aurnou, quien lidera el Grupo de Trabajo de Geodynamo del CIG, espera que los modelos avanzados que están creando con la supercomputadora Mira complementen los hallazgos de la sonda de la NASA para revelar una comprensión completa de la dinámica interna de Júpiter.

"Incluso con Juno, no vamos a poder obtener una gran muestra física de la turbulencia que ocurre en el interior profundo de Júpiter, ", dijo." Sólo una supercomputadora puede ayudarnos a meternos bajo esa tapa ".

Aurnou y sus colaboradores también están usando Mira para estudiar los campos magnéticos de la Tierra y el sol con un nivel de detalle sin precedentes.

Dinamos dinámicos

Los campos magnéticos se generan en las profundidades de los núcleos de los planetas y las estrellas mediante un proceso conocido como acción de dínamo. Esto ocurre cuando la rotación, movimiento convectivo de fluidos conductores de electricidad (p. ej., metal líquido en planetas y plasma en estrellas) convierte la energía cinética en energía magnética. Una mejor comprensión del proceso de dínamo proporcionará nuevos conocimientos sobre el nacimiento y la evolución del sistema solar, y arrojar luz sobre los sistemas planetarios que se están descubriendo alrededor de otras estrellas.

Modelando la dinámica interna de Júpiter, La tierra y el sol traen desafíos únicos, pero los tres cuerpos astrofísicos enormemente diferentes comparten una cosa en común:simular sus procesos de dinamo requiere una enorme cantidad de potencia de cálculo.

Con su proyecto en el ALCF, El equipo de CIG de Aurnou se propuso desarrollar y demostrar modelos de dinamo 3D de alta resolución a la mayor escala posible.

Investigación estelar

Cuando el proyecto comenzó en 2015, El enfoque principal del equipo era el sol. Comprender la dínamo solar es clave para predecir las erupciones solares, Eyecciones de masa coronal y otros impulsores del clima espacial, que pueden afectar el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas tecnológicos espaciales y terrestres, como las comunicaciones por satélite.

Con acceso a Mira, El equipo ha realizado algunas de las simulaciones de convección solar más turbulentas y de mayor resolución. En un artículo publicado en Cartas de revistas astrofísicas , utilizaron las simulaciones para establecer límites superiores a la velocidad de flujo típica en la zona de convección solar, un parámetro clave para comprender cómo el sol genera su campo magnético y transporta calor desde su interior profundo.

Según el investigador de la Universidad de Colorado en Boulder, Nick Featherstone, quién está liderando el esfuerzo de dínamo solar del proyecto, Los hallazgos del equipo han sido impulsados ​​por la capacidad de su modelo para simular de manera eficiente tanto la rotación como la forma esférica del Sol. que son extremadamente exigentes desde el punto de vista informático para incorporar juntos en un modelo de alta resolución.

"Para estudiar la zona de convección profunda, necesitas la esfera, ", Dijo Featherstone." Y para hacerlo bien, necesita estar rotando ".

Entender la Tierra en su núcleo

Los campos magnéticos en planetas terrestres como la Tierra son generados por las propiedades físicas de sus núcleos de metal líquido. Sin embargo, debido a la potencia informática limitada, Los modelos anteriores de dínamo de la Tierra se han visto obligados a simular fluidos con conductividades eléctricas que superan con creces las de los metales líquidos reales.

Para superar este problema, el equipo de CIG está construyendo un modelo de alta resolución que es capaz de simular las propiedades metálicas del núcleo de hierro fundido de la Tierra. Sus simulaciones de geodinamo en curso ya están mostrando que los flujos y las estructuras magnéticas acopladas se desarrollan tanto a pequeña como a gran escala. revelando nuevos procesos que no aparecen en resoluciones más bajas.

"Si no puede simular un metal realista, vas a tener problemas para simular turbulencias con precisión, "Dijo Aurnou." Nadie podía permitirse el lujo de hacer esto computacionalmente, hasta ahora. Entonces, un gran impulsor para nosotros es abrir la puerta a la comunidad y brindar un ejemplo concreto de lo que es posible con las supercomputadoras más rápidas de la actualidad ".

Ascenso a Júpiter

En el caso de Júpiter, El objetivo final del equipo es crear un modelo acoplado que tenga en cuenta tanto su región de dinamo como sus poderosos vientos atmosféricos. conocidos como chorros. Esto implica desarrollar un modelo de "atmósfera profunda" en el que la región del chorro de Júpiter se extiende por todo el planeta y se conecta a la región de la dínamo.

Hasta aquí, los investigadores han logrado avances significativos con el modelo atmosférico, permitiendo las simulaciones de planetas gigantes de más alta resolución que se hayan logrado. Los investigadores utilizarán las simulaciones de Júpiter para predecir vórtices superficiales, flujos de chorro zonales y emisiones térmicas en detalle y compárelos con los datos de observación de la misión Juno.

Por último, el equipo planea poner sus resultados a disposición del público para la comunidad de investigación en general.

"Casi puedes pensar en nuestros esfuerzos computacionales como una misión espacial, "Dijo Aurnou." Al igual que la nave espacial Juno, Mira es un dispositivo único y especial. Cuando obtenemos conjuntos de datos de estas increíbles herramientas científicas, queremos que estén disponibles abiertamente y que toda la comunidad pueda verlos de diferentes maneras ".