Las simulaciones de XSEDE Stampede2 están ayudando a revelar la física de lo que sucede cuando un meteorito golpea la atmósfera. Crédito:CC BY-SA 4.0 (Jacek Halicki)
En los cielos de arriba, está lloviendo tierra.
Cada segundo, millones de pedazos de tierra que son más pequeños que un grano de arena golpean la atmósfera superior de la Tierra. A unos 100 kilómetros de altitud, fragmentos de polvo, principalmente restos de colisiones de asteroides, zumban por el cielo y se evaporan a una velocidad de 10 a 100 veces superior a la de una bala. Los más grandes pueden hacer rayas en el cielo, meteoros que nos dejan sin aliento.
Los científicos están utilizando supercomputadoras para ayudar a comprender cómo los meteoritos diminutos, invisibles a simple vista, liberan electrones que pueden ser detectados por radar y pueden caracterizar la velocidad, la dirección y la tasa de desaceleración del meteorito con alta precisión, lo que permite determinar su origen. Debido a que este polvo espacial que cae ayuda a sembrar nubes que producen lluvia, esta investigación básica sobre meteoritos ayudará a los científicos a comprender mejor la química de la atmósfera terrestre. Además, la composición de los meteoritos ayuda a los astrónomos a caracterizar el entorno espacial de nuestro sistema solar.
Los meteoritos juegan un papel importante en la ciencia de la atmósfera superior, no solo para la Tierra sino también para otros planetas. Permiten a los científicos poder diagnosticar lo que hay en el aire utilizando un lidar de detección remota de láser pulsado, que rebota en el polvo de meteoritos para revelar la temperatura, la densidad y los vientos de la atmósfera superior.
Los científicos también rastrean con radar el plasma generado por los meteoritos, determinando qué tan rápido se mueven los vientos en la atmósfera superior por qué tan rápido se empuja el plasma. Es una región que es imposible de estudiar con satélites, ya que la resistencia atmosférica a estas altitudes hará que la nave espacial vuelva a entrar en la atmósfera.
La investigación del meteorito se publicó en junio de 2021 en el Journal of Geophysical Research:Space Physics de la Sociedad Geofísica Americana.
En él, el autor principal Glenn Sugar de la Universidad Johns Hopkins desarrolló simulaciones por computadora para modelar la física de lo que sucede cuando un meteorito golpea la atmósfera. El meteoro se calienta y arroja material a velocidades hipersónicas en un proceso llamado ablación. El material arrojado choca contra las moléculas atmosféricas y se convierte en plasma resplandeciente.
"Lo que estamos tratando de hacer con las simulaciones de los meteoros es imitar ese proceso muy complejo de ablación, para ver si entendemos la física que ocurre; y también para desarrollar la capacidad de interpretar observaciones de meteoros de alta resolución, principalmente de radar. observaciones de meteoros", dijo el coautor del estudio Meers Oppenheim, profesor de Astronomía en la Universidad de Boston.
Los grandes platos de radar, como el icónico pero ahora desaparecido telescopio de radar de Arecibo, han registrado múltiples meteoros por segundo en una pequeña porción de cielo. Según Oppenheim, esto significa que la Tierra está siendo golpeada por millones y millones de meteoros cada segundo.
Distribuciones de frecuencia de plasma representativas utilizadas en simulaciones de ablación de meteoritos. Crédito:Sugar et al.
"Interpretar esas medidas ha sido complicado", dijo. "Saber lo que estamos viendo cuando vemos estas medidas no es tan fácil de entender".
Las simulaciones en el documento básicamente configuran un cuadro que representa un trozo de atmósfera. En el centro de la caja, se coloca un pequeño meteoro que arroja átomos. Las simulaciones en el dominio del tiempo de diferencias finitas y partícula en celda se usaron para generar distribuciones de densidad del plasma generado por los átomos de meteoritos a medida que sus electrones se desprenden en colisiones con moléculas de aire.
"Los radares son muy sensibles a los electrones libres", explicó Oppenheim. "Haces un gran plasma cónico que se desarrolla inmediatamente frente al meteoroide y luego es barrido detrás del meteoroide. Eso es lo que observa el radar. Queremos poder ir desde lo que el radar ha observado hasta qué tan grande es". ese meteoroide es. Las simulaciones nos permiten aplicar ingeniería inversa a eso".
El objetivo es poder ver la intensidad de la señal de las observaciones de radar y poder obtener las características físicas del meteoro, como el tamaño y la composición.
"Hasta ahora solo hemos tenido estimaciones muy crudas de eso. Las simulaciones nos permiten ir más allá de las simples estimaciones crudas", dijo Oppenheim.
“La teoría analítica funciona realmente bien cuando puedes decir:'Está bien, este fenómeno único está sucediendo, independientemente de estos otros fenómenos'. Pero cuando todo sucede a la vez, se vuelve tan desordenado. Las simulaciones se convierten en la mejor herramienta", dijo Oppenheim.
Oppenheim recibió tiempo de supercomputadora del Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) en la supercomputadora Stampede2 de TACC para las simulaciones de meteoritos.
"Ahora somos realmente capaces de usar el poder de Stampede2, estas supercomputadoras gigantes, para evaluar la ablación de meteoritos con un detalle increíble", dijo Oppenheim. "XSEDE hizo posible esta investigación al facilitarnos a mí, a los estudiantes y a los asociados de investigación el aprovechar las supercomputadoras".
"Los sistemas están bien administrados", agregó. "Usamos muchos paquetes matemáticos y paquetes de almacenamiento de datos. Todos están precompilados y listos para que los usemos en XSEDE. También tienen buena documentación. Y el personal de XSEDE ha sido muy bueno. Cuando nos encontramos con un cuello de botella o un obstáculo , son muy útiles. Ha sido un gran activo tenerlos".
Stampede2 es un recurso asignado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), financiado por Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). Crédito:TACC
Los astrónomos están a pasos agigantados de donde estaban hace 20 años en términos de poder modelar la ablación de meteoritos. Oppenheim se refirió a un estudio de 2020 dirigido por la estudiante de la Universidad de Boston Gabrielle Guttormsen que simula la ablación de un meteorito diminuto para ver qué tan rápido se calienta y cuánto material se evapora.
La física de la ablación de meteoritos es muy difícil de hacer con cálculos de lápiz y papel, porque los meteoritos son increíblemente heterogéneos, dijo Oppenheim. "Básicamente estás modelando explosiones. Toda esta física ocurre en milisegundos, cientos de milisegundos para las más grandes y para los bólidos, las bolas de fuego gigantes que pueden durar unos segundos, estamos hablando de segundos. Son eventos explosivos. ."
El equipo de Oppenheim modela la ablación desde picosegundos, que es la escala de tiempo en que el meteorito se desintegra y los átomos interactúan cuando las moléculas de aire chocan contra ellos. Los meteoros a menudo viajan a velocidades feroces de 50 kilómetros por segundo o incluso hasta 70 kilómetros por segundo.
Oppenheim describió tres tipos diferentes de simulaciones que está realizando para atacar el problema de la ablación de meteoritos. En primer lugar, utiliza la dinámica molecular, que analiza los átomos individuales a medida que las moléculas de aire chocan contra las partículas pequeñas con una resolución de tiempo de picosegundos.
A continuación, utiliza un simulador diferente para ver qué sucede cuando esas moléculas se van volando, y luego las moléculas independientes chocan contra las moléculas de aire y se convierten en un plasma con radiación electromagnética. Finalmente, toma ese plasma y le lanza un radar virtual, escuchando los ecos allí.
Hasta ahora, no ha podido combinar estas tres simulaciones en una sola. Es lo que él describe como un 'problema rígido', con demasiadas escalas de tiempo para que la tecnología actual maneje una simulación autoconsistente.
Oppenheim dijo que planea solicitar tiempo de supercomputadora en la supercomputadora Frontera de TACC financiada por NSF, la supercomputadora académica más rápida del planeta. "Stampede2 es bueno para muchas pruebas más pequeñas, pero si tienes algo realmente masivo, Frontera está hecho para eso", dijo.
Dijo Oppenheim:"Las supercomputadoras brindan a los científicos el poder de investigar en detalle los procesos físicos reales, no modelos de juguete simplificados. En última instancia, son una herramienta para probar ideas numéricamente y llegar a una mejor comprensión de la naturaleza de la física de los meteoritos y todo en el universo. ."
