Simulación Numérica de Procesos Astrofísicos

Año de inicio
2003
Unidad organizativa

Subvenciones relacionadas:

    General
    Descripción

    La simulación numérica mediante códigos complejos de ordenador es una herramienta fundamental en la investigación física y en la técnica desde hace décadas. El crecimiento vertiginoso de las capacidades informáticas junto con el avance notable de la matemática numérica ha hecho accesible a los centros de investigación de tamaño medio esta rama de la investigación, a caballo entre la física teórica y la física experimental. La astrofísica no es excepción a lo anterior, habiéndose desarrollado desde finales de los 70 una especialidad de la misma, la astrofísica computacional, que ha permitido llegar a comprender gran variedad de fenómenos inaccesibles a la investigación teórica pura y dar cuenta de observaciones hasta entonces inexplicadas. Su mayor campo de aplicación en las décadas pasadas han sido los fenómenos (magneto) hidrodinámicos y de dinámica de gases en multiplicidad de entornos cósmicos, por ejemplo los interiores y atmósferas estelares y planetarios y el medio interestelar, incluyendo magnetoconvección y dínamo, discos de acreción, evolución de nebulosas planetarias, explosiones y restos de supernova, etc. La incorporación a las simulaciones numéricas de las ecuaciones del transporte radiativo, ocurrida ya en décadas pasadas, ha permitido dotar de mayor realismo a los estudios de procesos hidrodinámicos en fotosferas y cromosferas estelares.

    El presente Proyecto quiere apoyar el desarrollo en el IAC de la investigación astrofísica basada en el uso de grandes códigos numéricos que requieren el uso de ordenadores masivamente paralelos y su enlace con los resultados de observación. Objetivo general de este Proyecto es la realización de cálculos de física de fluidos cósmicos y de transporte radiativo. La temática de dichos cálculos se centrará en

    • fenómenos de dinámica de gases magnetizados en interiores y atmósferas estelares
    • transporte de radiación y señales de polarización en líneas espectrales en base a modelos atómicos y moleculares realistas y los efectos Hanle y Zeeman
    • comparación de resultados teórico/numéricos con datos de observación

    Este Proyecto es especialmente relevante a la vista de la involucración, cada vez mayor, del IAC en las redes de supercomputación nacionales y europeas y, en general, en grandes iniciativas de instalación de superordenadores.

    Investigador principal

    A continuación, destacamos los resultados de nuestro resumen anual de 2022.

    A lo largo del año 2022, los efectos de ionización parcial, los efectos de ionización fuera de equilibrio y los fluidos múltiples han sido uno de los principales bloques de desarrollo tanto desde la perspectiva teórica como numérica. Por ejemplo, se ha logrado una generalización de las ecuaciones de Braginskii de 1965 para plasmas multi-especies generales con masas y temperaturas arbitrarias, donde todas las viscosidades y flujos de calor en el modelo se describen mediante sus propias ecuaciones de evolución. Este nuevo enfoque tiene una ventaja crucial en la que las componentes paralelas a lo largo de las líneas de campo magnético no se vuelven ilimitadas (infinitamente grandes) en regímenes de baja colisionalidad de interés para este grupo, como, por ejemplo, la corona solar (Hunana et al. 2022). En este bloque temático, también se han realizado simulaciones 2D y 3D utilizando un modelo de dos fluidos que trata las especies neutras e ionizadas como dos componentes separados, para analizar el efecto que tiene la interacción colisional entre ambas componentes en la dinámica de la lluvia coronal, la evolución de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, la propagación de ondas magnetoacústicas a través de la cromosfera solar o el calentamiento del plasma (Martínez-Gómez et al. 2022a). Otro ejemplo de desarrollo teórico con posibles aplicaciones numéricas ha sido la búsqueda de los efectos de la difusión ambipolar en la cromosfera desde una perspectiva más fundamental mediante soluciones analíticas. Las soluciones obtenidas para casos con simetría cilíndrica se demuestran como una prueba exigente, pero no obstante viable, para los códigos magnetohidrodinámicos (MHD) que incorporan difusión ambipolar. Además, se han realizado ejecuciones detalladas de tablas de las soluciones disponibles públicamente para la comunidad (Moreno-Insertis et al. 2022). Por último, se han comenzado a estudiar los efectos de la ionización fuera de equilibrio del átomo de hidrógeno junto con el estudio de los efectos Lyman α en configuraciones simples para aplicarlos más tarde en simulaciones realistas que incluyan la cromosfera.

    La mejora y prueba de las capacidades de los códigos MHD disponibles en el grupo solar ha sido otro de los principales desarrollos clave realizados en 2022. Por ejemplo, los resultados obtenidos por Moreno-Insertis et al. 2022 se utilizaron para verificar que el código MHD Bifrost es capaz de reproducir las soluciones teóricas con la suficiente precisión hasta tiempos de difusión muy avanzados, así como para explorar las propiedades asintóticas de estas soluciones teóricas. Además de eso, se han realizado varios cambios en el código MANCHA, cuyo objetivo era aumentar la eficiencia y agregar nuevas características que permitieran a los investigadores realizar experimentos más realistas y explorar nuevas áreas de investigación. Por ejemplo, el código MANCHA se ha extendido para poder simular simulaciones solares hasta la corona, agregando un nuevo módulo que calcula de manera eficiente uno de los ingredientes clave en la corona: la conducción térmica (Navarro et al. 2022). La preparación del código MANCHA para su extensión multifluida con radiación también ha sido otra rama de trabajo relacionada con el desarrollo numérico en 2022. Además, se han desarrollado nuevas rutinas de ecuaciones de estado y opacidad que permiten separar las contribuciones de fondo en equilibrio de las tratadas fuera del equilibrio. Además de enfrentar diferentes desafíos en la física solar, el gran desarrollo generado en MANCHA es útil para estudiar estrellas frías de secuencia principal (G, K, M), lo que contribuye a una mejor comprensión de la física estelar. Para llevar a cabo todas estas tareas, fue necesario no solo realizar numerosas pruebas de escalado y experimentos numéricos en máquinas locales en el IAC, sino también en supercomputadoras como LaPalma, PICASSO, PizDaint y MareNostrum4; así como trabajar en colaboración con colaboradores externos.

    Durante 2022, en este proyecto también se ha centrado en diferentes fenómenos de la atmósfera solar y la correspondiente comparación con observaciones. Como ejemplo ilustrativo, se han modelado por primera vez Puntos Brillantes Coronales (CBPs) con la suficiente realismo para desentrañar los mecanismos que los generan y proporcionarles energía, siendo capaces también de explicar diferentes características observadas desde satélites espaciales. La comparación con observaciones se realiza a través de imágenes sintéticas de SDO/AIA, Solar Orbiter EUI-HRI e IRIS que se han calculado a partir del experimento numérico realizado con el código Bifrost (Nóbrega-Siverio y Moreno-Insertis, 2022). Otro ejemplo es la combinación de experimentos numéricos en 3D con el código MoLMH y modelado directo utilizando la línea Hα para estudiar oscilaciones transversales de hilo prominencial. Los resultados contienen implicaciones relevantes para el campo de la sismología de prominencias, mostrando que la emisión Hα se puede utilizar para detectar el modo fundamental de las oscilaciones (Martínez-Gómez et al. 2022b). Además, se han analizado observaciones de alta resolución en tierra de fenómenos ejectivos como chorros en la atmósfera solar, encontrando similitudes sorprendentes con resultados obtenidos de experimentos numéricos. Además, ha habido contribuciones significativas de los miembros de este proyecto al avance de las observaciones y la construcción de nuevos telescopios (Quintero et al. 2022) y satélites (De Pontieu et al. 2022, Cheung et al. 2022), utilizando el conocimiento adquirido de los experimentos teórico-numéricos. Finalmente, se realizó un primer intento exploratorio para comprender la física de agujeros coronales y regiones activas desde un punto de vista global a través de soluciones magnetohidrostáticas en 2D (Terradas et al. 2022), lo que requerirá un mayor desarrollo en los próximos años para su comparación con observaciones.


    Por último, pero no menos importante, se han aplicado herramientas de vanguardia como las proporcionadas por el Aprendizaje Automático (Machine Learning) y la estadística Bayesiana a problemas de la atmósfera solar. En este sentido, se lanzó un proyecto para caracterizar los límites de los métodos de k-means y su aplicación a observaciones solares. Además, se han iniciado nuevos desarrollos en códigos de transferencia radiativa para utilizarlos en un estudio preliminar de un enfoque de aprendizaje automático para el cálculo de términos radiativos. El desarrollo de la aplicación de técnicas bayesianas a la comparación de modelos en la sismología de la atmósfera solar continuó en 2022, con la publicación de un artículo de revisión que recoge los principales resultados obtenidos en la última década (Arregui 2022a). Además, el formalismo bayesiano se ha aplicado con éxito a la predicción de la amplitud del ciclo de actividad solar, proponiendo una nueva metodología para cuantificar la bondad tanto de la predicción como del modelo subyacente (Arregui 2022b).

    Publicaciones relacionadas

    • Accurately constraining velocity information from spectral imaging observations using machine learning techniques
      Determining accurate plasma Doppler (line-of-sight) velocities from spectroscopic measurements is a challenging endeavour, especially when weak chromospheric absorption lines are often rapidly evolving and, hence, contain multiple spectral components in their constituent line profiles. Here, we present a novel method that employs machine learning
      MacBride, Conor D. et al.

      Fecha de publicación:

      2
      2021
      Número de citas
      11
    • Coronal Heating by MHD Waves
      The heating of the solar chromosphere and corona to the observed high temperatures, imply the presence of ongoing heating that balances the strong radiative and thermal conduction losses expected in the solar atmosphere. It has been theorized for decades that the required heating mechanisms of the chromospheric and coronal parts of the active
      Van Doorsselaere, Tom et al.

      Fecha de publicación:

      12
      2020
      Número de citas
      153
    • Joint action of Hall and ambipolar effects in 3D magneto-convection simulations of the quiet Sun. I. Dissipation and generation of waves
      The partial ionization of the solar plasma causes several nonideal effects such as the ambipolar diffusion, the Hall effect, and the Biermann battery effect. Here we report on the first three-dimensional realistic simulations of solar local dynamo where all three effects were taken into account. The simulations started with a snapshot of already
      González-Morales, P. A. et al.

      Fecha de publicación:

      10
      2020
      Número de citas
      17
    • Resonant absorption: Transformation of compressive motions into vortical motions
      This paper investigates the changes in spatial properties when magnetohydrodynamic (MHD) waves undergo resonant damping in the Alfvén continuum. The analysis is carried out for a 1D cylindrical pressure-less plasma with a straight magnetic field. The effect of the damping on the spatial wave variables is determined by using complex frequencies that
      Goossens, M. et al.

      Fecha de publicación:

      9
      2020
      Número de citas
      6
    • Quantifying the evidence for resonant damping of coronal waves with foot-point wave power asymmetry
      We use Coronal Multi-channel Polarimeter (CoMP) observations of propagating waves in the solar corona together with Bayesian analysis to assess the evidence of models with resonant damping and foot-point wave power asymmetries. We considered two nested models: a reduced and a larger model. The reduced model considers resonant damping as the sole
      Montes-Solís, M. et al.

      Fecha de publicación:

      8
      2020
      Número de citas
      6
    • Case study of multi-temperature coronal jets for emerging flux MHD models
      Context. Hot coronal jets are a basic observed feature of the solar atmosphere whose physical origin is still actively debated. Aims: We study six recurrent jets that occurred in active region NOAA 12644 on April 4, 2017. They are observed in all the hot filters of AIA as well as cool surges in IRIS slit-jaw high spatial and temporal resolution
      Joshi, Reetika et al.

      Fecha de publicación:

      7
      2020
      Número de citas
      34
    • Ambipolar diffusion in the Bifrost code
      Context. Ambipolar diffusion is a physical mechanism related to the drift between charged and neutral particles in a partially ionized plasma that is key to many different astrophysical systems. However, understanding its effects is challenging due to basic uncertainties concerning relevant microphysical aspects and the strong constraints it
      Nóbrega-Siverio, D. et al.

      Fecha de publicación:

      6
      2020
      Número de citas
      21
    • Numerical simulations of large-amplitude oscillations in flux rope solar prominences
      Context. Large-amplitude oscillations (LAOs) of solar prominences are a very spectacular, but poorly understood, phenomena. These motions have amplitudes larger than 10 km s -1 and can be triggered by the external perturbations such as Moreton or EIT waves. Aims: Our aim is to analyze the properties of LAOs using realistic prominence models and the
      Liakh, V. et al.

      Fecha de publicación:

      5
      2020
      Número de citas
      18
    • Two-dimensional simulations of coronal rain dynamics. I. Model consisting of a vertical magnetic field and an unbounded atmosphere
      Context. Coronal rain often comes about as the final product of evaporation and condensation cycles that occur in active regions. Observations show that the condensed plasma falls with an acceleration that is less than that of free fall. Aims: We aim to improve the understanding of the physical mechanisms behind the slower than free-fall motion and
      Martínez-Gómez, D. et al.

      Fecha de publicación:

      2
      2020
      Número de citas
      11
    • An introductory guide to fluid models with anisotropic temperatures. Part 1. CGL description and collisionless fluid hierarchy
      We present a detailed guide to advanced collisionless fluid models that incorporate kinetic effects into the fluid framework, and that are much closer to the collisionless kinetic description than traditional magnetohydrodynamics. Such fluid models are directly applicable to modelling the turbulent evolution of a vast array of astrophysical plasmas
      Hunana, P. et al.

      Fecha de publicación:

      12
      2019
      Número de citas
      28
    • An introductory guide to fluid models with anisotropic temperatures. Part 2. Kinetic theory, Padé approximants and Landau fluid closures
      In Part 2 of our guide to collisionless fluid models, we concentrate on Landau fluid closures. These closures were pioneered by Hammett and Perkins and allow for the rigorous incorporation of collisionless Landau damping into a fluid framework. It is Landau damping that sharply separates traditional fluid models and collisionless kinetic theory
      Hunana, P. et al.

      Fecha de publicación:

      12
      2019
      Número de citas
      17
    • The Role of Asymmetries in Thermal Nonequilibrium
      Thermal nonequilibrium (TNE) is a fascinating situation that occurs in coronal magnetic flux tubes (loops) for which no solution to the steady-state fluid equations exists. The plasma is constantly evolving even though the heating that produces the hot temperatures does not. This is a promising explanation for isolated phenomena such as prominences
      Klimchuk, James A. et al.

      Fecha de publicación:

      10
      2019
      Número de citas
      35
    • Nonequilibrium ionization and ambipolar diffusion in solar magnetic flux emergence processes
      Context. Magnetic flux emergence from the solar interior has been shown to be a key mechanism for unleashing a wide variety of phenomena. However, there are still open questions concerning the rise of the magnetized plasma through the atmosphere, mainly in the chromosphere, where the plasma departs from local thermodynamic equilibrium (LTE) and is
      Nóbrega-Siverio, D. et al.

      Fecha de publicación:

      1
      2020
      Número de citas
      30
    • Two-fluid simulations of waves in the solar chromosphere. II. Propagation and damping of fast magneto-acoustic waves and shocks
      Waves and shocks traveling through the solar chromospheric plasma are influenced by its partial ionization and weak collisional coupling, and may become susceptible to multi-fluid effects, similar to interstellar shock waves. In this study, we consider fast magneto-acoustic shock wave formation and propagation in a stratified medium, that is
      Popescu Braileanu, B. et al.

      Fecha de publicación:

      10
      2019
      Número de citas
      29
    • Origin of the chromospheric three-minute oscillations in sunspot umbrae
      Context. Sunspot umbrae show a change in the dominant period of their oscillations from five minutes (3.3 mHz) in the photosphere to three minutes (5.5 mHz) in the chromosphere. Aims: In this paper, we explore the two most popular models proposed to explain the three-minute oscillations: the chromospheric acoustic resonator and the propagation of
      Felipe, T.

      Fecha de publicación:

      7
      2019
      Número de citas
      19
    • Fundamental transverse vibrations of the active region solar corona
      Context. Some high-resolution observations have revealed that the active region solar corona is filled with a myriad of thin strands even in apparently uniform regions with no resolved loops. This fine structure can host collective oscillations involving a large portion of the corona due to the coupling of the motions of the neighbouring strands
      Luna, M. et al.

      Fecha de publicación:

      9
      2019
      Número de citas
      3
    • Two-fluid simulations of waves in the solar chromosphere. I. Numerical code verification
      Solar chromosphere consists of a partially ionized plasma, which makes modeling the solar chromosphere a particularly challenging numerical task. Here we numerically model chromospheric waves using a two-fluid approach with a newly developed numerical code. The code solves two-fluid equations of conservation of mass, momentum, and energy, together
      Popescu Braileanu, B. et al.

      Fecha de publicación:

      7
      2019
      Número de citas
      47
    • Exploration of long-period oscillations in an Hα prominence
      Context. In previous work, we studied a prominence which appeared like a tornado in a movie made from 193 Å filtergrams obtained with the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) imager aboard the Solar Dynamics Observatory (SDO). The observations in Hα obtained simultaneously during two consecutive sequences of one hour with the Multi-channel
      Zapiór, M. et al.

      Fecha de publicación:

      3
      2019
      Número de citas
      6
    • Fast-to-Alfvén Mode Conversion Mediated by Hall Current. II. Application to the Solar Atmosphere
      Coupling between fast magnetoacoustic and Alfvén waves can be observed in fully ionized plasmas mediated by stratification and 3D geometrical effects. In Paper I, Cally & Khomenko have shown that in a weakly ionized plasma, such as the solar photosphere and chromosphere, the Hall current introduces a new coupling mechanism. The present study
      González-Morales, P. A. et al.

      Fecha de publicación:

      1
      2019
      Número de citas
      21
    • Three-dimensional simulations of solar magneto-convection including effects of partial ionization
      In recent decades, REALISTIC three-dimensional radiative-magnetohydrodynamic simulations have become the dominant theoretical tool for understanding the complex interactions between the plasma and magnetic field on the Sun. Most of such simulations are based on approximations of magnetohydrodynamics, without directly considering the consequences of
      Khomenko, E. et al.

      Fecha de publicación:

      10
      2018
      Número de citas
      55

    Charlas relacionadas

    No se han encontrado charlas relacionadas.

    Congresos relacionados

    No se han encontrado congresos relacionados.