Las simulaciones de supercomputadoras Stampede2 asignadas a XSEDE arrojan luz sobre la física de los meteoros.
En los cielos 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, pedazos de polvo, principalmente escombros de colisiones de asteroides, zumban por el cielo y se vaporizan a medida que avanzan de 10 a 100 veces la velocidad de una bala. Los más grandes pueden dejar rayas en el cielo, meteoritos que nos dejan sin aliento.
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Los científicos están utilizando supercomputadoras para ayudar a comprender cómo los meteoritos diminutos, invisibles a simple vista, liberan electrones que pueden ser detectados por el 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 las nubes que producen lluvia, esta investigación básica sobre meteoros ayudará a los científicos a comprender mejor la química de la atmósfera terrestre. Además, la composición de los meteoros 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 LIDAR de detección remota por láser pulsado, que rebota en el polvo de meteorito para revelar la temperatura, la densidad y los vientos de la atmósfera superior.
Distribuciones de frecuencia de plasma representativas utilizadas en simulaciones de ablación de meteoros. Crédito: Sugar et al.
Los científicos también rastrean con un radar el plasma generado por los meteoritos, determinando qué tan rápido se mueven los vientos en la atmósfera superior y qué tan rápido se mueve 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 la revista Journal of Geophysical Research: Space Physics de la American Geophysical Society.
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 meteoro golpea la atmósfera. El meteoro se calienta y arroja material a velocidades hipersónicas en un proceso llamado ablación. El material derramado choca contra las moléculas atmosféricas y se convierte en plasma incandescente.
“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 está sucediendo; y también desarrollar la capacidad de interpretar observaciones de meteoros de alta resolución, principalmente observaciones de meteoros de radar ”, dijo el coautor del estudio Meers Oppenheim , profesor de Astronomía en la Universidad de Boston.
Grandes antenas 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.
“Interpretar esas medidas ha sido complicado”, dijo. “Saber lo que estamos mirando cuando vemos estas medidas no es tan fácil de entender”.
Las simulaciones en el documento básicamente configuran una caja que representa un trozo de atmósfera. En el medio de la caja, se coloca un pequeño meteoro que arroja átomos. Las simulaciones en el dominio del tiempo de diferencia finita de partículas en la celda se utilizaron para generar distribuciones de densidad del plasma generado por los átomos de meteoritos a medida que sus electrones se eliminan en colisiones con moléculas de aire.
“Los radares son realmente sensibles a los electrones libres”, explicó Oppenheim. “Se hace un gran plasma cónico que se desarrolla inmediatamente frente al meteoroide y luego es arrastrado por detrás del meteoroide. Eso es lo que observa el radar. Queremos poder pasar de lo que ha observado el radar a lo grande que es ese meteoroide. Las simulaciones nos permiten aplicar ingeniería inversa a eso “.
El objetivo es poder observar la intensidad de la señal de las observaciones de radar y poder obtener características físicas del meteoro, como el tamaño y la composición.
“Hasta ahora solo hemos tenido estimaciones muy rudimentarias de eso. Las simulaciones nos permiten ir más allá de las simples estimaciones brutas ”, dijo Oppenheim.
“La teoría analítica funciona muy bien cuando se puede decir: ‘Está bien, este fenómeno único está sucediendo, independientemente de estos otros fenómenos’. Pero cuando todo sucede a la vez, se vuelve muy complicado. Las simulaciones se convierten en la mejor herramienta ”, dijo Oppenheim.
Oppenheim fue galardonado con tiempo de supercomputadora por el Extreme Science and Engineering Discovery Environment ( XSEDE ) en la supercomputadora Stampede2 de TACC para las simulaciones de meteoros.
“Ahora realmente podemos usar el poder de Stampede2, estas supercomputadoras gigantes, para evaluar la ablación de meteoros con un detalle increíble”, dijo Oppenheim. “XSEDE hizo posible esta investigación al facilitarme a mí, a los estudiantes y a los investigadores asociados el poder 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 una gran ventaja a tener “.
Los astrónomos están a pasos agigantados por delante de lo que estaban hace 20 años en términos de ser capaces de modelar la ablación de meteoros. Oppenheim se refirió a un estudio de 2020 dirigido por Gabrielle Guttormsen, estudiante de la Universidad de Boston, que simula la ablación de un pequeño meteorito para ver qué tan rápido se calienta y cuánto material burbujea.
La física de ablación de meteoros es muy difícil de hacer con cálculos con lápiz y papel, porque los meteoros son increíblemente heterogéneos, dijo Oppenheim. “Básicamente estás modelando explosiones. Toda esta física está sucediendo en milisegundos, cientos de milisegundos para los más grandes, y para los bólidos , las bolas de fuego gigantes que pueden durar unos segundos, estamos hablando de segundos. Son eventos explosivos “.
La magnitud del campo eléctrico al cuadrado del campo total (fila superior) y el campo disperso (fila inferior) en el plano yz (columna izquierda) y el plano xy (columna derecha) después de que un pulso incidente encuentra el centro de meteorito sobredenso usando el Dimant- Distribución de plasma del modelo de Oppenheim. Crédito: Sugar et al.
El equipo de Oppenheim modela la ablación desde los picosegundos, que es la escala de tiempo en que el meteoro se desintegra y los átomos interactúan cuando las moléculas de aire chocan contra ellos. Los meteoros viajan a menudo a velocidades cerca 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 cuando las moléculas de aire chocan contra las partículas pequeñas con una resolución de tiempo de picosegundos.
A continuación, usa un simulador diferente para observar lo que sucede cuando esas moléculas se alejan, 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. Es lo que él describe como un ‘problema rígido’, con demasiados plazos 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 enorme, Frontera está hecho para eso”, dijo.
Oppenheim dijo: “Las supercomputadoras dan a los científicos el poder de investigar en detalle los procesos físicos reales, no modelos de juguetes simplificados. En última instancia, son una herramienta para probar numéricamente ideas y llegar a una mejor comprensión de la naturaleza de la física de los meteoros y todo lo que hay en el universo “.
Escrito por Jorge Salazar
Fuente: TACC
