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    Les secrets intérieurs des planètes et des étoiles

    Un rendu 3D montre une convection solaire simulée réalisée à différents taux de rotation. Les régions de flux ascendant et descendant sont rendues en rouge et bleu, respectivement. Au fur et à mesure que l'influence de la rotation augmente de gauche (sans rotation) à droite (rotation rapide), les motifs convectifs deviennent de plus en plus organisés et allongés. Comprendre l'emplacement du soleil le long de ce spectre représente une étape majeure vers la compréhension de la façon dont il entretient un champ magnétique. Crédit :Nick Featherstone et Bradley Hindman, Université du Colorado Boulder

    Après cinq ans, voyage de 1,74 milliard de milles, Le vaisseau spatial Juno de la NASA est entré sur l'orbite de Jupiter en juillet 2016, commencer sa mission de collecte de données sur l'ouvrage, atmosphère, et les champs magnétiques et gravitationnels de la mystérieuse planète.

    Pour le géophysicien de l'UCLA Jonathan Aurnou, le timing n'aurait pas pu être beaucoup mieux.

    Au moment où Juno atteignait sa destination, Aurnou et ses collègues du Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) avaient commencé à effectuer des simulations 3D massives à l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE), modéliser et prédire les processus intérieurs turbulents qui produisent le champ magnétique intense de Jupiter.

    Alors que le moment choisi pour les deux efforts de recherche était une coïncidence, il présente une opportunité de comparer les observations de Jupiter les plus détaillées jamais capturées avec les simulations de Jupiter à la plus haute résolution jamais réalisées.

    Aurnou, qui dirige le groupe de travail Geodynamo du CIG, espère que les modèles avancés qu'ils créent avec le supercalculateur Mira compléteront les découvertes de la sonde de la NASA pour révéler une compréhension complète de la dynamique interne de Jupiter.

    "Même avec Junon, nous n'allons pas pouvoir obtenir un grand échantillonnage physique des turbulences se produisant dans l'intérieur profond de Jupiter, " a-t-il dit. " Seul un superordinateur peut nous aider à nous mettre sous ce couvercle. "

    Aurnou et ses collaborateurs utilisent également Mira pour étudier les champs magnétiques sur Terre et le soleil à un niveau de détail sans précédent.

    Dynamo dynamique

    Les champs magnétiques sont générés profondément dans les noyaux des planètes et des étoiles par un processus connu sous le nom d'action dynamo. Cela se produit lorsque la rotation, mouvement convectif de fluides électriquement conducteurs (par exemple, métal liquide dans les planètes et plasma dans les étoiles) convertit l'énergie cinétique en énergie magnétique. Une meilleure compréhension du processus dynamo fournira de nouvelles informations sur la naissance et l'évolution du système solaire, et faire la lumière sur les systèmes planétaires découverts autour d'autres étoiles.

    Modéliser la dynamique interne de Jupiter, La Terre et le soleil apportent tous des défis uniques, mais les trois corps astrophysiques très différents partagent une chose en commun :simuler leurs processus dynamo nécessite une énorme puissance de calcul.

    Avec leur projet à l'ALCF, L'équipe CIG d'Aurnou a entrepris de développer et de démontrer des modèles de dynamo 3D haute résolution à la plus grande échelle possible.

    Crédit :Laboratoire National d'Argonne

    Recherche stellaire

    Lorsque le projet a démarré en 2015, l'objectif principal de l'équipe était le soleil. Comprendre la dynamo solaire est essentiel pour prédire les éruptions solaires, éjections de masse coronale et autres moteurs de la météorologie spatiale, qui peuvent avoir un impact sur les performances et la fiabilité des systèmes technologiques spatiaux et au sol, telles que les communications par satellite.

    Avec accès à Mira, l'équipe a réalisé certaines des simulations de convection solaire les plus hautes résolutions et les plus turbulentes. Dans un article publié en Lettres de revues astrophysiques , ils ont utilisé les simulations pour fixer des limites supérieures à la vitesse d'écoulement typique dans la zone de convection solaire, un paramètre clé pour comprendre comment le soleil génère son champ magnétique et transporte la chaleur de son intérieur profond.

    Selon Nick Featherstone, chercheur à l'Université du Colorado à Boulder, qui dirige l'effort de dynamo solaire du projet, les découvertes de l'équipe ont été motivées par la capacité de leur modèle à simuler efficacement à la fois la rotation et la forme sphérique du Soleil, qui sont extrêmement exigeants en termes de calcul à intégrer ensemble dans un modèle haute résolution.

    "Pour étudier la zone de convection profonde, il te faut la sphère, " Featherstone a dit. " Et pour bien faire les choses, il doit tourner."

    Comprendre la Terre en son cœur

    Les champs magnétiques des planètes telluriques comme la Terre sont générés par les propriétés physiques de leurs noyaux de métal liquide. Cependant, en raison de la puissance de calcul limitée, Les précédents modèles de dynamo terrestre ont été contraints de simuler des fluides dont la conductivité électrique dépasse de loin celle des métaux liquides réels.

    Pour surmonter ce problème, l'équipe du CIG construit un modèle haute résolution capable de simuler les propriétés métalliques du noyau de fer en fusion de la Terre. Leurs simulations de géodynamo en cours montrent déjà que les écoulements et les structures magnétiques couplées se développent à la fois à petite et à grande échelle, révélant de nouveaux processus qui n'apparaissent pas à des résolutions inférieures.

    "Si vous ne pouvez pas simuler un métal réaliste, vous allez avoir du mal à simuler les turbulences avec précision, " Aurnou a déclaré. "Personne ne pouvait se permettre de faire cela par calcul, jusqu'à maintenant. Donc, un grand moteur pour nous est d'ouvrir la porte à la communauté et de fournir un exemple concret de ce qui est possible avec les supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui."

    L'ascendance de Jupiter

    Dans le cas de Jupiter, le but ultime de l'équipe est de créer un modèle couplé qui tient compte à la fois de sa région dynamo et de ses puissants vents atmosphériques, connu sous le nom de jets. Cela implique de développer un modèle "d'atmosphère profonde" dans lequel la région des jets de Jupiter s'étend tout au long de la planète et se connecte à la région de la dynamo.

    Jusque là, les chercheurs ont fait des progrès significatifs avec le modèle atmosphérique, permettant les simulations de planètes géantes à la plus haute résolution jamais réalisées. Les chercheurs utiliseront les simulations de Jupiter pour prédire les tourbillons de surface, les flux de jets zonaux et les émissions thermiques en détail et les comparer aux données d'observation de la mission Juno.

    Finalement, l'équipe prévoit de mettre ses résultats à la disposition de l'ensemble de la communauté de recherche.

    "Vous pouvez presque penser à nos efforts de calcul comme à une mission spatiale, " dit Aurnou. " Tout comme le vaisseau spatial Juno, Mira est un appareil unique et spécial. Lorsque nous obtenons des ensembles de données de ces incroyables outils scientifiques, nous voulons les rendre ouvertement disponibles et les présenter à l'ensemble de la communauté pour qu'elle les examine de différentes manières."


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