Subvenciones relacionadas:
General
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.
Miembros
Resultados
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).
Actividad científica
Publicaciones relacionadas
-
Study of the excitation of large-amplitude oscillations in a prominence by nearby flaresContext. Large-amplitude oscillations are a common occurrence in solar prominences. These oscillations are triggered by energetic phenomena such as jets and flares. On March 14–15, 2015, a filament partially erupted in two stages, leading to oscillations in different parts of it. Aims. In this study, we aim to explore the longitudinal oscillationsLuna, Manuel et al.
Fecha de publicación:
112024 -
High-resolution observations of recurrent jets from an arch filament systemContext. Solar jets are collimated plasma ejections along magnetic field lines observed in hot (extreme-ultraviolet (EUV) jets) and cool (chromospheric surges) temperature diagnostics. Their trigger mechanisms and the relationship between hot and cool jets are still not completely understood. Aims. We aim to investigate the generation of a sequenceJoshi, Reetika et al.
Fecha de publicación:
112024 -
Exploring the Magnetic and Thermal Evolution of a Coronal JetCoronal jets are the captivating eruptions that are often found in the solar atmosphere and primarily formed due to magnetic reconnection. Despite their short-lived nature and lower energy compared to many other eruptive events, e.g., flares and coronal mass ejections, they play an important role in heating the corona and accelerating chargedNayak, Sushree S. et al.
Fecha de publicación:
112024 -
From eruption to post-flare rain: A 2.5D MHD modelContext. Erupting magnetic flux ropes play an important role in producing solar flares, whereas fine-scale condensed coronal rain is often found in post-flare loops. However, the formation of the MFRs in the pre-flare stage and how this leads to coronal rain in a post-eruption magnetic loop is not fully understood. Aims: We explore the formationSen, Samrat et al.
Fecha de publicación:
82024 -
Extreme-ultraviolet (EUV) observables of simulated plasmoid-mediated reconnection in the solar coronaContext. Understanding the role of magnetic reconnection in the heating and dynamics of the solar atmosphere requires detailed observational data of any observable aspect of the reconnection process, including small-scale features such as plasmoids. Aims: Here, we examine the capability of active and upcoming instruments to detect plasmoidsFærder, Ø. H. et al.
Fecha de publicación:
72024 -
Generic low-atmosphere signatures of swirled-anemone jetsContext. Solar jets are collimated plasma flows moving along magnetic field lines and are accelerated at low altitude following magnetic reconnection. Several of them originate from anemone-shaped low-lying arcades, and the most impulsive ones tend to be relatively wider and display untwisting motions. Aims: We aim to establish typical behavioursJoshi, Reetika et al.
Fecha de publicación:
72024 -
Small-scale magnetic flux emergence preceding a chain of energetic solar atmospheric eventsContext. Advancements in instrumentation have revealed a multitude of small-scale extreme-ultraviolet (EUV) events in the solar atmosphere and considerable effort is currently undergoing to unravel them. Aims: Our aim is to employ high-resolution and high-sensitivity magnetograms to gain a detailed understanding of the magnetic origin of suchNóbrega-Siverio, D. et al.
Fecha de publicación:
62024 -
The influence of thermal pressure gradients and ionization (im)balance on the ambipolar diffusion and charge-neutral driftsSolar partially ionized plasma is frequently modelled using single-fluid (1F) or two-fluid (2F) approaches. In the 1F case, charge-neutral interactions are often described through ambipolar diffusion, while the 2F model fully considers charge-neutral drifts. Here, we expand the definition of the ambipolar diffusion coefficient to include inelasticGómez Míguez, M. M. et al.
Fecha de publicación:
62024 -
Nonlinear Wave Damping by Kelvin–Helmholtz Instability-induced TurbulenceMagnetohydrodynamic kink waves naturally form as a consequence of perturbations to a structured medium, for example, transverse oscillations of coronal loops. Linear theory has provided many insights into the evolution of linear oscillations, and results from these models are often applied to infer information about the solar corona from observedHillier, Andrew et al.
Fecha de publicación:
52024 -
A comparative study of resistivity models for simulations of magnetic reconnection in the solar atmosphere. II. Plasmoid formationContext. Plasmoid-mediated reconnection plays a fundamental role in different solar atmospheric phenomena. Numerical reproduction of this process is therefore essential for developing robust solar models. Aims: Our goal is to assess plasmoid-mediated reconnection across various numerical resistivity models in order to investigate how plasmoidFærder, Ø. H. et al.
Fecha de publicación:
32024 -
Global Coronal Magnetic Field Estimation Using Bayesian InferenceEstimating the magnetic field strength in the solar corona is crucial for understanding different physical processes happening over diverse spatiotemporal scales. However, the high temperatures and low density of the solar corona make this task challenging. The coronal magnetic field is too weak to produce a measurable splitting of the spectralBaweja, Upasna et al.
Fecha de publicación:
32024 -
MANCHA3D Code: Multipurpose Advanced Nonideal MHD Code for High-Resolution Simulations in AstrophysicsThe MANCHA3D code is a versatile tool for numerical simulations of magnetohydrodynamic (MHD) processes in solar/stellar atmospheres. The code includes nonideal physics derived from plasma partial ionization, a realistic equation of state and radiative transfer, which allows performing high-quality realistic simulations of magnetoconvection, as wellModestov, M. et al.
Fecha de publicación:
22024 -
Deciphering Solar Coronal Heating: Energizing Small-scale Loops through Surface ConvectionThe solar atmosphere is filled with clusters of hot small-scale loops commonly known as coronal bright points (CBPs). These ubiquitous structures stand out in the Sun by their strong X-ray and/or extreme-ultraviolet (EUV) emission for hours to days, which makes them a crucial piece when solving the solar coronal heating puzzle. In addition, theyNóbrega-Siverio, D. et al.
Fecha de publicación:
122023 -
Bayesian evidence for two slow-wave damping models in hot coronal loopsWe computed the evidence in favour of two models, one based on field-aligned thermal conduction alone and another that includes thermal misbalance as well, to explain the damping of slow magneto-acoustic waves in hot coronal loops. Our analysis is based on the computation of the marginal likelihood and the Bayes factor for the two damping modelsArregui, I. et al.
Fecha de publicación:
82023 -
Opacity for realistic 3D MHD simulations of cool stellar atmospheresContext. Realistic three-dimensional time-dependent simulations of stellar near-surface convection employ the opacity binning method for the efficient and accurate computation of the radiative energy exchange. The method provides several orders of magnitude of speedup, but its implementation includes a number of free parameters. Aims: Our aim is toPerdomo García, A. et al.
Fecha de publicación:
72023 -
A comparative study of resistivity models for simulations of magnetic reconnection in the solar atmosphereContext. Magnetic reconnection is a fundamental mechanism in astrophysics. A common challenge in mimicking this process numerically in particular for the Sun is that the solar electrical resistivity is small compared to the diffusive effects caused by the discrete nature of codes. Aims: We aim to study different anomalous resistivity models andFærder, Ø. H. et al.
Fecha de publicación:
72023 -
A study of the capabilities for inferring atmospheric information from high-spatial-resolution simulationsIn this work, we study the accuracy that can be achieved when inferring the atmospheric information from realistic numerical magneto-hydrodynamic simulations that reproduce the spatial resolution we will obtain with future observations made by the 4m class telescopes DKIST and EST. We first study multiple inversion configurations using the SIR codeQuintero Noda, C. et al.
Fecha de publicación:
72023 -
Interaction of solar jets with filaments: Triggering of large-amplitude filament oscillationsContext. Large-amplitude oscillations (LAOs) are often detected in filaments. Using multi-wavelength observations, their origin can be traced back to the interaction with eruptions and jets. Aims: We present two different case studies as observational evidence in support of 2.5D numerical magnetohydrodynamics (MHD) experiments that show that theJoshi, Reetika et al.
Fecha de publicación:
42023 -
The Chromosphere Underneath a Coronal Bright PointCoronal bright points (CBPs) are sets of small-scale coronal loops, connecting opposite magnetic polarities, primarily characterized by their enhanced extreme-ultraviolet (EUV) and X-ray emission. Being ubiquitous, they are thought to play an important role in heating the solar corona. We aim at characterizing the barely explored chromosphereBose, Souvik et al.
Fecha de publicación:
22023 -
The role of cooling induced by mixing in the mass and energy cycles of the solar atmosphereIn many astrophysical systems, mixing between cool and hot temperature gas/plasma through Kelvin-Helmholtz-instability-driven turbulence leads to the formation of an intermediate temperature phase with increased radiative losses that drive efficient cooling. The solar atmosphere is a potential site for this process to occur with interaction betweenHillier, Andrew et al.
Fecha de publicación:
42023