Na vijf jaar, 1,74 miljard mijl reis, NASA's Juno-ruimtevaartuig kwam in juli 2016 in de baan van Jupiter, om zijn missie te beginnen om gegevens over de structuur te verzamelen, atmosfeer, en magnetische en zwaartekrachtsvelden van de mysterieuze planeet.

Voor UCLA-geofysicus Jonathan Aurnou, de timing had niet veel beter kunnen zijn.

Net toen Juno zijn bestemming bereikte, Aurnou en zijn collega's van de Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) waren begonnen met het uitvoeren van enorme 3D-simulaties bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, om de turbulente interne processen te modelleren en te voorspellen die het intense magnetische veld van Jupiter produceren.

Hoewel de timing van de twee onderzoeksinspanningen toevallig was, het biedt de mogelijkheid om de meest gedetailleerde Jupiter-waarnemingen die ooit zijn vastgelegd te vergelijken met de Jupiter-simulaties met de hoogste resolutie die ooit zijn uitgevoerd.

Aurnou, die de Geodynamo-werkgroep van het CIG leidt, hoopt dat de geavanceerde modellen die ze maken met de Mira-supercomputer de bevindingen van de NASA-sonde zullen aanvullen om een ​​volledig begrip van de interne dynamiek van Jupiter te onthullen.

"Zelfs met Juno, we zullen geen goede fysieke bemonstering kunnen krijgen van de turbulentie die optreedt in het diepe binnenste van Jupiter, ' zei hij. 'Alleen een supercomputer kan ons helpen onder dat deksel te komen.'

Aurnou en zijn medewerkers gebruiken Mira ook om de magnetische velden op aarde en de zon op een ongekend detailniveau te bestuderen.

Dynamische dynamo's

Magnetische velden worden diep in de kernen van planeten en sterren gegenereerd door een proces dat bekend staat als dynamo-actie. Dit gebeurt wanneer de roterende, convectieve beweging van elektrisch geleidende vloeistoffen (bijv. vloeibaar metaal in planeten en plasma in sterren) zet kinetische energie om in magnetische energie. Een beter begrip van het dynamoproces zal nieuwe inzichten opleveren in het ontstaan ​​en de evolutie van het zonnestelsel, en licht werpen op planetaire systemen die worden ontdekt rond andere sterren.

Het modelleren van de interne dynamiek van Jupiter, De aarde en de zon brengen allemaal unieke uitdagingen met zich mee, maar de drie enorm verschillende astrofysische lichamen hebben één ding gemeen:het simuleren van hun dynamoprocessen vereist een enorme hoeveelheid rekenkracht.

Met hun project bij de ALCF, Het CIG-team van Aurnou wilde 3D-dynamomodellen met hoge resolutie op de grootst mogelijke schaal ontwikkelen en demonstreren.

Stellair onderzoek

Toen het project in 2015 begon, primaire focus van het team was de zon. Het begrijpen van de zonnedynamo is de sleutel tot het voorspellen van zonnevlammen, coronale massa-ejecties en andere aanjagers van ruimteweer, die van invloed kunnen zijn op de prestaties en betrouwbaarheid van technologische systemen in de ruimte en op de grond, zoals satellietcommunicatie.

Met toegang tot Mira, het team heeft enkele van de hoogste resolutie en meest turbulente simulaties van zonneconvectie uitgevoerd. In een paper gepubliceerd in Astrofysische journaalbrieven , ze gebruikten de simulaties om bovengrenzen te stellen aan de typische stroomsnelheid in de zonneconvectiezone - een belangrijke parameter om te begrijpen hoe de zon zijn magnetisch veld genereert en warmte transporteert vanuit zijn diepe binnenste.

Volgens de University of Colorado Boulder-onderzoeker Nick Featherstone, wie leidt de zonnedynamo-inspanning van het project, de bevindingen van het team zijn gedreven door het vermogen van hun model om zowel rotatie als de bolvorm van de zon efficiënt te simuleren, die extreem rekenkundig veeleisend zijn om samen op te nemen in een model met hoge resolutie.

"Om de diepe convectiezone te bestuderen, je hebt de bol nodig, "Zei Featherstone. "En om het goed te doen, het moet draaien."

De aarde in haar kern begrijpen

Magnetische velden in terrestrische planeten zoals de aarde worden gegenereerd door de fysieke eigenschappen van hun vloeibare metalen kernen. Echter, vanwege de beperkte rekenkracht, eerdere aarddynamomodellen werden gedwongen vloeistoffen te simuleren met elektrische geleidbaarheid die veel hoger is dan die van echte vloeibare metalen.

Om dit probleem op te lossen, het CIG-team bouwt een model met hoge resolutie dat de metallische eigenschappen van de gesmolten ijzerkern van de aarde kan simuleren. Hun lopende geodynamo-simulaties laten al zien dat stromen en gekoppelde magnetische structuren zich op zowel kleine als grote schaal ontwikkelen, onthullende nieuwe processen die niet verschijnen bij lagere resoluties.

"Als je geen realistisch metaal kunt simuleren, je zult moeite hebben om turbulentie nauwkeurig te simuleren, ' zei Aurnou. 'Niemand kon het zich veroorloven om dit rekenkundig te doen, tot nu. Dus, een grote drijfveer voor ons is om de deur naar de gemeenschap te openen en een concreet voorbeeld te geven van wat mogelijk is met de snelste supercomputers van vandaag."

Jupiter oplopend

In het geval van Jupiter, het uiteindelijke doel van het team is om een ​​gekoppeld model te creëren dat rekening houdt met zowel het dynamogebied als de krachtige atmosferische winden, bekend als jets. Dit omvat de ontwikkeling van een "diepe atmosfeer"-model waarin het jetgebied van Jupiter zich helemaal door de planeet uitstrekt en verbinding maakt met het dynamogebied.

Tot dusver, de onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt met het atmosferische model, waardoor de simulaties van reuzenplaneten met de hoogste resolutie tot nu toe mogelijk zijn. De onderzoekers zullen de Jupiter-simulaties gebruiken om oppervlaktewervelingen te voorspellen, zonale jetstromen en thermische emissies in detail en vergelijk die met observatiegegevens van de Juno-missie.

uiteindelijk, het team is van plan om hun resultaten openbaar beschikbaar te maken voor de bredere onderzoeksgemeenschap.

"Je kunt onze computationele inspanningen bijna zien als een ruimtemissie, ' zei Aurnou. 'Net als het Juno-ruimtevaartuig, Mira is een uniek en bijzonder apparaat. Als we datasets krijgen van deze geweldige wetenschappelijke tools, we willen ze openlijk beschikbaar maken en ze aan de hele gemeenschap aanbieden om er op verschillende manieren naar te kijken."