Planeters og stjerners indre hemmeligheder

Efter fem år, 1,74 milliarder miles rejse, NASAs Juno-rumfartøj gik ind i Jupiters kredsløb i juli 2016, at begynde sin mission med at indsamle data om strukturen, atmosfære, og magnetiske og gravitationsfelter på den mystiske planet.

For UCLA geofysiker Jonathan Aurnou, timingen kunne ikke have været meget bedre.

Lige da Juno nåede sin destination, Aurnou og hans kolleger fra Computational Infrastructure for Geodynamik (CIG) var begyndt at udføre massive 3D-simuleringer på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, at modellere og forudsige de turbulente indre processer, der producerer Jupiters intense magnetfelt.

Mens tidspunktet for de to forskningsindsatser var tilfældigt, det giver mulighed for at sammenligne de mest detaljerede Jupiter-observationer, der nogensinde er fanget, med de højeste opløsning Jupiter-simuleringer, der nogensinde er udført.

Aurnou, som leder CIG's Geodynamo-arbejdsgruppe, håber, at de avancerede modeller, de skaber med Mira-supercomputeren, vil supplere NASA-sondens resultater for at afsløre en fuld forståelse af Jupiters interne dynamik.

"Selv med Juno, vi vil ikke være i stand til at få en stor fysisk prøvetagning af turbulensen, der forekommer i Jupiters dybe indre, " sagde han. "Kun en supercomputer kan hjælpe med at få os under det låg."

Aurnou og hans samarbejdspartnere bruger også Mira til at studere magnetfelterne på Jorden og solen på et hidtil uset detaljeringsniveau.

Dynamiske dynamoer

Magnetiske felter genereres dybt i kernerne af planeter og stjerner ved en proces kendt som dynamo-aktion. Dette sker, når den roterende, konvektiv bevægelse af elektrisk ledende væsker (f. flydende metal i planeter og plasma i stjerner) omdanner kinetisk energi til magnetisk energi. En bedre forståelse af dynamoprocessen vil give ny indsigt i solsystemets fødsel og udvikling, og kaste lys over planetsystemer, der bliver opdaget omkring andre stjerner.

Modellering af Jupiters indre dynamik, Jorden og solen bringer alle unikke udfordringer, men de tre vidt forskellige astrofysiske kroppe deler en ting til fælles - at simulere deres dynamo-processer kræver en enorm mængde computerkraft.

Med deres projekt på ALCF, Aurnous CIG-team satte sig for at udvikle og demonstrere højopløsnings 3-D dynamo-modeller i størst mulig skala.

Stjerneforskning

Da projektet startede i 2015, holdets primære fokus var solen. At forstå soldynamoen er nøglen til at forudsige soludbrud, koronale masseudslyngninger og andre drivere af rumvejr, som kan påvirke ydeevnen og pålideligheden af ​​rumbårne og jordbaserede teknologiske systemer, såsom satellitbaseret kommunikation.

Med adgang til Mira, holdet har udført nogle af de højeste opløsning og mest turbulente simuleringer af solkonvektion. I et papir udgivet i Astrofysiske journalbreve , de brugte simuleringerne til at sætte øvre grænser for den typiske strømningshastighed i solkonvektionszonen - en nøgleparameter til at forstå, hvordan solen genererer sit magnetfelt og transporterer varme fra dens dybe indre.

Ifølge University of Colorado Boulder-forsker Nick Featherstone, hvem leder projektets soldynamo-indsats, holdets resultater er drevet af deres models evne til effektivt at simulere både rotation og Solens kugleform, som er ekstremt beregningskrævende at inkorporere sammen i en højopløsningsmodel.

"For at studere den dybe konvektionszone, du har brug for sfæren, " sagde Featherstone. "Og for at få det rigtigt, den skal rotere."

Forstå Jorden i dens kerne

Magnetiske felter på jordiske planeter som Jorden genereres af de fysiske egenskaber af deres flydende metalkerner. Imidlertid, på grund af begrænset computerkraft, tidligere jorddynamomodeller er blevet tvunget til at simulere væsker med elektrisk ledningsevne, der langt overstiger faktiske flydende metallers.

For at overvinde dette problem, CIG-teamet bygger en højopløsningsmodel, der er i stand til at simulere de metalliske egenskaber af Jordens smeltede jernkerne. Deres igangværende geodynamo-simuleringer viser allerede, at strømme og koblede magnetiske strukturer udvikler sig i både små og store skalaer, afsløre nye processer, der ikke vises ved lavere opløsninger.

"Hvis du ikke kan simulere et realistisk metal, du vil have problemer med at simulere turbulens nøjagtigt, "Aurnou sagde. "Ingen havde råd til at gøre dette udregningsmæssigt, indtil nu. Så, en stor drivkraft for os er at åbne døren til samfundet og give et konkret eksempel på, hvad der er muligt med nutidens hurtigste supercomputere."

Jupiter stiger

I Jupiters tilfælde, holdets ultimative mål er at skabe en koblet model, der tager højde for både dens dynamo-region og dens kraftige atmosfæriske vinde, kendt som jetfly. Dette involverer udvikling af en "dyb atmosfære"-model, hvor Jupiters jetregion strækker sig hele vejen gennem planeten og forbindes med dynamo-regionen.

Indtil nu, forskerne har gjort betydelige fremskridt med den atmosfæriske model, muliggør de højeste opløsning gigant-planet simuleringer, der endnu er opnået. Forskerne vil bruge Jupiter-simuleringerne til at forudsige overfladehvirvler, zone-jetstrømme og termiske emissioner i detaljer og sammenligne dem med observationsdata fra Juno-missionen.

Ultimativt, holdet planlægger at gøre deres resultater offentligt tilgængelige for det bredere forskningsmiljø.

"Man kan næsten tænke på vores beregningsmæssige indsats som en rummission, " sagde Aurnou. "Ligesom Juno-rumfartøjet, Mira er en unik og speciel enhed. Når vi får datasæt fra disse fantastiske videnskabelige værktøjer, vi ønsker at gøre dem åbent tilgængelige og lægge dem ud til hele samfundet for at se på dem på forskellige måder."