Depois de cinco anos, Jornada de 1,74 bilhões de milhas, A nave espacial Juno da NASA entrou na órbita de Júpiter em julho de 2016, para começar sua missão de coletar dados sobre a estrutura, atmosfera, e campos magnéticos e gravitacionais do planeta misterioso.

Para o geofísico da UCLA Jonathan Aurnou, o momento não poderia ter sido muito melhor.

Assim que Juno chegou ao seu destino, Aurnou e seus colegas da Infraestrutura Computacional para Geodinâmica (CIG) começaram a realizar simulações 3D maciças no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science User Facility, para modelar e prever os turbulentos processos internos que produzem o intenso campo magnético de Júpiter.

Embora o momento dos dois esforços de pesquisa tenha sido coincidente, apresenta uma oportunidade de comparar as observações mais detalhadas de Júpiter já capturadas com as simulações de Júpiter de mais alta resolução já realizadas.

Aurnou, que lidera o Grupo de Trabalho Geodinâmico do CIG, espera que os modelos avançados que estão criando com o supercomputador Mira complementem as descobertas da sonda da NASA para revelar uma compreensão completa da dinâmica interna de Júpiter.

"Mesmo com Juno, não seremos capazes de obter uma grande amostra física da turbulência que ocorre no interior profundo de Júpiter, "disse ele." Só um supercomputador pode ajudar a nos colocar sob essa tampa. "

Aurnou e seus colaboradores também estão usando Mira para estudar os campos magnéticos da Terra e do Sol em um nível de detalhe sem precedentes.

Dínamos dinâmicos

Os campos magnéticos são gerados nas profundezas dos núcleos dos planetas e estrelas por um processo conhecido como ação do dínamo. Isso ocorre quando a rotação, movimento convectivo de fluidos condutores de eletricidade (por exemplo, metal líquido em planetas e plasma em estrelas) converte energia cinética em energia magnética. Uma melhor compreensão do processo do dínamo fornecerá novos insights sobre o nascimento e a evolução do sistema solar, e lançar luz sobre sistemas planetários sendo descobertos em torno de outras estrelas.

Modelando a dinâmica interna de Júpiter, Terra e o sol trazem desafios únicos, mas os três corpos astrofísicos imensamente diferentes compartilham uma coisa em comum - simular seus processos de dínamo requer uma grande quantidade de poder de computação.

Com seu projeto no ALCF, A equipe CIG de Aurnou decidiu desenvolver e demonstrar modelos de dínamo 3-D de alta resolução na maior escala possível.

Pesquisa estelar

Quando o projeto começou em 2015, o foco principal da equipe era o sol. Compreender o dínamo solar é a chave para prever erupções solares, ejeções de massa coronal e outros fatores do clima espacial, que podem impactar o desempenho e a confiabilidade dos sistemas tecnológicos terrestres e espaciais, como comunicações baseadas em satélite.

Com acesso a Mira, a equipe realizou algumas das simulações de convecção solar de mais alta resolução e mais turbulentas. Em um artigo publicado em Cartas de jornal astrofísico , eles usaram as simulações para estabelecer limites superiores na velocidade de fluxo típica na zona de convecção solar - um parâmetro chave para entender como o sol gera seu campo magnético e transporta calor de seu interior profundo.

De acordo com o pesquisador da Universidade do Colorado em Boulder, Nick Featherstone, que está liderando o esforço do dínamo solar do projeto, as descobertas da equipe foram impulsionadas pela capacidade de seu modelo de simular com eficiência a rotação e a forma esférica do Sol, que são extremamente exigentes em termos computacionais para serem incorporados em um modelo de alta resolução.

“Para estudar a zona de convecção profunda, você precisa da esfera, "Featherstone disse." E para acertar, precisa estar girando. "

Compreendendo a Terra em seu núcleo

Os campos magnéticos em planetas terrestres como a Terra são gerados pelas propriedades físicas de seus núcleos de metal líquido. Contudo, devido ao poder de computação limitado, modelos anteriores de dínamo da Terra foram forçados a simular fluidos com condutividades elétricas que excedem em muito a dos metais líquidos reais.

Para superar esse problema, a equipe do CIG está construindo um modelo de alta resolução que é capaz de simular as propriedades metálicas do núcleo de ferro derretido da Terra. Suas simulações geodinâmicas em andamento já estão mostrando que fluxos e estruturas magnéticas acopladas se desenvolvem em escalas pequenas e grandes, revelando novos processos que não aparecem em resoluções mais baixas.

"Se você não consegue simular um metal realista, você terá problemas para simular turbulência com precisão, "Aurnou disse." Ninguém poderia se dar ao luxo de fazer isso computacionalmente, até agora. Então, um grande impulsionador para nós é abrir a porta para a comunidade e fornecer um exemplo concreto do que é possível com os supercomputadores mais rápidos de hoje. "

Júpiter ascendente

No caso de Júpiter, o objetivo final da equipe é criar um modelo acoplado que leve em conta a região do dínamo e os poderosos ventos atmosféricos, conhecidos como jatos. Isso envolve o desenvolvimento de um modelo de "atmosfera profunda" no qual a região do jato de Júpiter se estende por todo o planeta e se conecta à região do dínamo.

Até aqui, os pesquisadores fizeram progressos significativos com o modelo atmosférico, permitindo as simulações de planeta gigante de mais alta resolução já alcançadas. Os pesquisadores usarão as simulações de Júpiter para prever vórtices de superfície, fluxos de jatos zonais e emissões térmicas em detalhes e compare-os com os dados observacionais da missão Juno.

Em última análise, a equipe planeja tornar seus resultados publicamente disponíveis para a comunidade de pesquisa mais ampla.

"Você quase pode pensar em nossos esforços computacionais como uma missão espacial, "Aurnou disse." Assim como a espaçonave Juno, Mira é um dispositivo único e especial. Quando obtemos conjuntos de dados dessas ferramentas científicas incríveis, queremos torná-los abertamente disponíveis e colocá-los à disposição de toda a comunidade para que possam ser examinados de maneiras diferentes. "