Efter fem år, 1,74 miljarder mil resa, NASA:s rymdfarkost Juno gick in i Jupiters bana i juli 2016, att börja sitt uppdrag att samla in data om strukturen, atmosfär, och magnetiska och gravitationsfält på den mystiska planeten.

För UCLA geofysiker Jonathan Aurnou, timingen kunde inte ha varit mycket bättre.

Precis när Juno nådde sin destination, Aurnou och hans kollegor från Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) hade börjat utföra massiva 3D-simuleringar vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science, att modellera och förutsäga de turbulenta inre processerna som producerar Jupiters intensiva magnetfält.

Även om tidpunkten för de två forskningsinsatserna var tillfällig, det ger en möjlighet att jämföra de mest detaljerade Jupiterobservationerna som någonsin fångats med de högsta Jupitersimuleringarna som någonsin utförts.

Aurnou, som leder CIG:s Geodynamo Working Group, hoppas att de avancerade modellerna som de skapar med superdatorn Mira kommer att komplettera NASA-sondens resultat för att avslöja en fullständig förståelse för Jupiters interna dynamik.

"Även med Juno, vi kommer inte att kunna få ett bra fysiskt urval av turbulensen som inträffar i Jupiters djupa inre, ", sa han. "Bara en superdator kan hjälpa till att få oss under locket."

Aurnou och hans medarbetare använder också Mira för att studera magnetfälten på jorden och solen på en aldrig tidigare skådad detaljnivå.

Dynamiska dynamos

Magnetiska fält genereras djupt inne i planeternas och stjärnornas kärnor genom en process som kallas dynamoaktion. Detta inträffar när den roterande, konvektiv rörelse av elektriskt ledande vätskor (t.ex. flytande metall i planeter och plasma i stjärnor) omvandlar kinetisk energi till magnetisk energi. En bättre förståelse av dynamoprocessen kommer att ge nya insikter om solsystemets födelse och utveckling, och kasta ljus över planetsystem som upptäcks runt andra stjärnor.

Modellera Jupiters inre dynamik, Jorden och solen ger alla unika utmaningar, men de tre vitt skilda astrofysiska kropparna har en sak gemensamt – att simulera deras dynamoprocesser kräver en enorm mängd datorkraft.

Med sitt projekt på ALCF, Aurnous CIG-team satte sig för att utveckla och demonstrera högupplösta 3D-dynamomodeller i största möjliga skala.

Stjärnforskning

När projektet startade 2015, lagets primära fokus var solen. Att förstå soldynamon är nyckeln till att förutsäga solflammor, koronala massutkastningar och andra förare av rymdväder, som kan påverka prestandan och tillförlitligheten hos rymdburna och markbaserade tekniska system, såsom satellitbaserad kommunikation.

Med tillgång till Mira, teamet har utfört några av de högsta upplösta och mest turbulenta simuleringarna av solkonvektion. I en tidning publicerad i Astrofysiska tidskriftsbrev , de använde simuleringarna för att sätta övre gränser för den typiska flödeshastigheten i solkonvektionszonen – en nyckelparameter för att förstå hur solen genererar sitt magnetfält och transporterar värme från dess djupa inre.

Enligt University of Colorado Boulder-forskare Nick Featherstone, vem leder projektets solenergidynamosatsning, teamets resultat har drivits av deras modells förmåga att effektivt simulera både rotation och solens sfäriska form, som är extremt beräkningskrävande att integrera i en högupplöst modell.

"För att studera den djupa konvektionszonen, du behöver sfären, " sa Featherstone. "Och för att få det rätt, den måste rotera."

Förstå jorden i dess kärna

Magnetiska fält på jordiska planeter som jorden genereras av de fysiska egenskaperna hos deras flytande metallkärnor. Dock, på grund av begränsad datorkraft, Tidigare jorddynamomodeller har tvingats simulera vätskor med elektrisk ledningsförmåga som vida överstiger faktiska flytande metaller.

För att övervinna detta problem, CIG-teamet bygger en högupplöst modell som kan simulera de metalliska egenskaperna hos jordens smälta järnkärna. Deras pågående geodynamo-simuleringar visar redan att flöden och kopplade magnetiska strukturer utvecklas i både liten och stor skala, avslöjar nya processer som inte visas vid lägre upplösningar.

"Om du inte kan simulera en realistisk metall, du kommer att få problem med att simulera turbulens exakt, "Aurnou sa. "Ingen hade råd att göra detta beräkningsmässigt, tills nu. Så, en stor drivkraft för oss är att öppna dörren till samhället och ge ett konkret exempel på vad som är möjligt med dagens snabbaste superdatorer."

Jupiter Stigande

I Jupiters fall, teamets slutmål är att skapa en kopplad modell som står för både dess dynamoregion och dess kraftfulla atmosfäriska vindar, känd som jets. Det handlar om att utveckla en "djup atmosfär"-modell där Jupiters jetregion sträcker sig hela vägen genom planeten och ansluter till dynamoregionen.

Än så länge, forskarna har gjort betydande framsteg med den atmosfäriska modellen, möjliggör de högsta upplösta jätte-planet-simuleringarna som hittills uppnåtts. Forskarna kommer att använda Jupitersimuleringarna för att förutsäga ytvirvlar, zonala jetflöden och termiska utsläpp i detalj och jämför dem med observationsdata från Juno-uppdraget.

I sista hand, teamet planerar att göra sina resultat offentligt tillgängliga för det bredare forskarsamhället.

"Du kan nästan tänka på våra beräkningsinsatser som ett rymduppdrag, ", sa Aurnou. "Precis som Juno-rymdfarkosten, Mira är en unik och speciell enhet. När vi får datauppsättningar från dessa fantastiska vetenskapliga verktyg, vi vill göra dem öppet tillgängliga och släppa ut dem till hela samhället att titta på på olika sätt."