Dopo cinque anni, 1,74 miliardi di miglia di viaggio, La navicella spaziale Juno della NASA è entrata nell'orbita di Giove nel luglio 2016, per iniziare la sua missione di raccogliere dati sulla struttura, atmosfera, e campi magnetici e gravitazionali del misterioso pianeta.

Per il geofisico dell'UCLA Jonathan Aurnou, il tempismo non avrebbe potuto essere molto migliore.

Proprio quando Giunone raggiunse la sua destinazione, Aurnou e i suoi colleghi della Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) avevano iniziato a eseguire massicce simulazioni 3D presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), per modellare e prevedere i turbolenti processi interni che producono l'intenso campo magnetico di Giove.

Sebbene la tempistica dei due sforzi di ricerca sia stata una coincidenza, rappresenta un'opportunità per confrontare le osservazioni di Giove più dettagliate mai catturate con le simulazioni di Giove a più alta risoluzione mai eseguite.

Aurnou, che guida il Geodynamo Working Group del CIG, spera che i modelli avanzati che stanno creando con il supercomputer Mira integreranno le scoperte della sonda della NASA per rivelare una piena comprensione delle dinamiche interne di Giove.

"Anche con Giunone, non saremo in grado di ottenere un grande campionamento fisico della turbolenza che si verifica nell'interno profondo di Giove, " ha detto. "Solo un supercomputer può aiutarci a metterci sotto quel coperchio."

Aurnou e i suoi collaboratori utilizzano Mira anche per studiare i campi magnetici sulla Terra e sul sole a un livello di dettaglio senza precedenti.

Dinamo dinamiche

I campi magnetici vengono generati in profondità nei nuclei dei pianeti e delle stelle mediante un processo noto come azione dinamo. Ciò si verifica quando la rotazione, movimento convettivo di fluidi elettricamente conduttori (ad es. metallo liquido nei pianeti e plasma nelle stelle) converte l'energia cinetica in energia magnetica. Una migliore comprensione del processo della dinamo fornirà nuove intuizioni sulla nascita e l'evoluzione del sistema solare, e far luce sui sistemi planetari scoperti intorno ad altre stelle.

Modellare le dinamiche interne di Giove, La terra e il sole portano sfide uniche, ma i tre corpi astrofisici molto diversi condividono una cosa in comune:simulare i loro processi con la dinamo richiede un'enorme quantità di potenza di calcolo.

Con il loro progetto all'ALCF, Il team CIG di Aurnou ha deciso di sviluppare e dimostrare modelli di dinamo 3D ad alta risoluzione su scala più ampia possibile.

Ricerca stellare

Quando il progetto è iniziato nel 2015, l'obiettivo principale della squadra era il sole. Comprendere la dinamo solare è la chiave per prevedere i brillamenti solari, espulsioni di massa coronale e altri fattori meteorologici spaziali, che possono avere un impatto sulle prestazioni e sull'affidabilità dei sistemi tecnologici spaziali e terrestri, come le comunicazioni satellitari.

Con l'accesso a Mira, il team ha eseguito alcune delle simulazioni più turbolente e ad alta risoluzione della convezione solare. In un articolo pubblicato su Lettere per riviste astrofisiche , hanno usato le simulazioni per porre limiti superiori alla velocità tipica del flusso nella zona di convezione solare, un parametro chiave per comprendere come il sole genera il suo campo magnetico e trasporta il calore dal suo interno profondo.

Secondo il ricercatore dell'Università del Colorado Boulder Nick Featherstone, che sta guidando lo sforzo della dinamo solare del progetto, le scoperte del team sono state guidate dalla capacità del loro modello di simulare in modo efficiente sia la rotazione che la forma sferica del Sole, che sono estremamente impegnativi dal punto di vista computazionale da incorporare insieme in un modello ad alta risoluzione.

"Per studiare la zona di convezione profonda, hai bisogno della sfera, " disse Featherstone. "E per farlo bene, deve girare".

Comprendere la Terra nel suo nucleo

I campi magnetici nei pianeti terrestri come la Terra sono generati dalle proprietà fisiche dei loro nuclei di metallo liquido. Però, a causa della limitata potenza di calcolo, i precedenti modelli di dinamo terrestri sono stati costretti a simulare fluidi con conduttività elettrica che superano di gran lunga quella dei metalli liquidi reali.

Per superare questo problema, il team CIG sta costruendo un modello ad alta risoluzione in grado di simulare le proprietà metalliche del nucleo di ferro fuso della Terra. Le loro simulazioni geodinamo in corso stanno già dimostrando che i flussi e le strutture magnetiche accoppiate si sviluppano sia su piccola che su larga scala, rivelando nuovi processi che non appaiono a risoluzioni inferiori.

"Se non puoi simulare un metallo realistico, avrai problemi a simulare accuratamente la turbolenza, " ha detto Aurnou. "Nessuno potrebbe permettersi di farlo in modo computazionale, fino ad ora. Così, un grande driver per noi è aprire la porta alla comunità e fornire un esempio concreto di ciò che è possibile con i supercomputer più veloci di oggi".

Giove ascendente

Nel caso di Giove, l'obiettivo finale del team è creare un modello accoppiato che tenga conto sia della regione della dinamo che dei potenti venti atmosferici, conosciuti come getti. Ciò comporta lo sviluppo di un modello di "atmosfera profonda" in cui la regione del getto di Giove si estende per tutto il pianeta e si collega alla regione della dinamo.

Finora, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi con il modello atmosferico, consentendo le simulazioni di pianeti giganti a più alta risoluzione mai raggiunte. I ricercatori utilizzeranno le simulazioni di Giove per prevedere i vortici di superficie, flussi di getto zonali ed emissioni termiche in dettaglio e confrontarli con i dati osservativi della missione Juno.

In definitiva, il team prevede di rendere i propri risultati pubblicamente disponibili alla più ampia comunità di ricerca.

"Puoi quasi pensare ai nostri sforzi computazionali come a una missione spaziale, " ha detto Aurnou. "Proprio come la navicella spaziale Juno, Mira è un dispositivo unico e speciale. Quando otteniamo set di dati da questi straordinari strumenti scientifici, vogliamo renderli apertamente disponibili e farli vedere a tutta la comunità in modi diversi".