|
Энцелад выбрасывает в космос меньше льда
|
|
|
|
В 17 веке астрономы Кристиан Гюйгенс и Джованни Кассини направили свои телескопы на Сатурн и открыли поразительную истину: светящиеся полосы планеты были не сплошными придатками, а обширными отдельными кольцами, состоящими из бесчисленных вложенных друг в друга дуг.
|
|
|
|
Столетия спустя зонд НАСА "Кассини–Гюйгенс" (Cassini) продвинул исследование Сатурна еще дальше. Начиная с 2005 года, он посылал множество впечатляющих изображений, которые изменили представление ученых об этой системе. Одним из самых впечатляющих открытий стали высокие гейзеры на ледяном спутнике Сатурна Энцеладе, которые выбрасывали обломки в космос и оставляли после себя слабое полукольцо, окружающее планету.
|
|
|
|
Новое моделирование на суперкомпьютере Техасского центра передовых вычислений (TACC), основанное на данных космического зонда "Кассини", позволило получить улучшенные оценки массы льда, которую Энцелад теряет в космосе. Эти результаты помогут лучше понять и в будущем с помощью роботов исследовать то, что находится под поверхностью ледяной Луны и что может быть источником жизни.
|
|
|
|
"Массовый расход на Энцеладе на 20-40% ниже, чем указано в научной литературе", - сказал Арно Махье, старший научный сотрудник Королевского бельгийского института космической аэрономии и филиала Департамента аэрокосмической инженерии и инженерной механики Калифорнийского университета в Остине.
|
|
|
|
|
|
|
Махье является автором-корреспондентом компьютерного исследования Энцелада, опубликованного в журнале Geophysical Research: Planets. В этой работе он и его коллеги разработали модели прямого моделирования методом Монте-Карло (DSMC), которые улучшают понимание структуры и поведения огромных потоков водяного пара и ледяных частиц, выбрасываемых вентиляционными отверстиями на поверхности Энцелада.
|
|
|
|
Это исследование основано на предыдущей работе, опубликованной в 2019 году под руководством Махье, в которой впервые использовались модели DSMC для определения начальных условий, которые создают ледяные струи, таких как размер вентиляционного отверстия, соотношение водяного пара и крупинок льда, температура и скорость выхода.
|
|
|
|
"Моделирование с использованием DSMC является очень дорогостоящим процессом", - сказал Махье. "В 2015 году мы использовали суперкомпьютеры TACC для получения параметров, которые позволили сократить время вычислений с 48 часов до нескольких миллисекунд".
|
|
|
|
Используя математические параметры, исследователи рассчитали плотность и скорость криовулканических шлейфов Энцелада, опираясь на данные, собранные "Кассини", когда он пролетал прямо через них.
|
|
|
|
"Главный вывод нашего нового исследования заключается в том, что для 100 криовулканических источников мы смогли ограничить массовый расход и другие параметры, которые не были получены ранее, такие как температура, при которой материал выходил из вулкана. Это большой шаг вперед в понимании того, что происходит на Энцеладе", - сказал Майе.
|
|
|
|
Энцелад - крошечный мир, всего 313 миль в поперечнике, слабая гравитация которого не может сдержать ледяные струи, вырывающиеся из его жерл. Это должным образом учтено в этих моделях DSMC. Предыдущие подходы были менее сложными с точки зрения физики и газовой динамики, чем наша модель DSMC. То, что делает Энцелад, похоже на вулкан, выбрасывающий лаву в космос, за исключением того, что в результате извержения образуются столбы водяного пара и льда.
|
|
|
|
Моделирование моделирует движение газа в потоке на микроуровне, где частицы движутся, сталкиваются и обмениваются энергией, как шарики, ударяющиеся друг о друга в игре. Несколько миллионов молекул моделируются с шагом в микросекунды, а модели DSMC позволяют проводить расчеты при более низком и реалистичном давлении, чем раньше, и с большим временем прохождения между столкновениями.
|
|
|
|
Дэвид Голдстайн, профессор Калифорнийского университета в Остине и соавтор исследования, в 2011 году руководил разработкой кода DSMC под названием Planet. TACC выделил средства Goldstein на разработку суперкомпьютеров Lonestar6 и Stampede3 через портал исследовательской киберинфраструктуры Техасского университета, который поддерживает исследователей во всех 14 учреждениях системы UT.
|
|
|
|
"Системы TACC имеют замечательную архитектуру, которая обеспечивает большую гибкость", - сказал Махье. "Если бы мы использовали код DSMC только на ноутбуке, мы могли бы моделировать только крошечные домены. Благодаря TACC мы можем моделировать с поверхности Энцелада на высоте до 10 километров, где шлейфы распространяются в космос".
|
|
|
|
Сатурн находится за пределами того, что астрономы называют "снежной линией" в Солнечной системе, присоединяясь к другим планетам с ледяными спутниками, такими как Юпитер, Уран и Нептун.
|
|
|
|
"Под этими "большими ледяными шарами" находится океан жидкой воды", - сказал Майе. "Помимо Земли, есть много других миров, где есть жидкий океан. Струи на Энцеладе открывают окно в подземные условия".
|
|
|
|
НАСА и Европейское космическое агентство планируют в будущем вновь посетить Энцелад, и их амбиции выходят далеко за рамки полетов. В число предложений входит высадка на поверхность Луны и бурение ее коры для исследования океана под ней в поисках признаков жизни, скрытых под километрами льда. Понимание и измерение содержания шлейфов Энцелада дает нам возможность реально оценить то, что происходит под поверхностью, не проводя бурение сквозь лед.
|
|
|
|
"Суперкомпьютеры могут дать нам ответы на вопросы, которые мы и мечтать не могли задать еще 10 или 15 лет назад", - сказал Майе. "Теперь мы можем гораздо ближе подойти к моделированию того, что делает природа".
|
|
|
|
Источник
|
