В XVII веке астрономы Христиан Гюйгенс и Джованни Кассини направили свои телескопы на Сатурн и обнаружили поразительную истину: светящиеся полосы планеты были не твёрдыми придатками, а огромными отдельными кольцами, состоящими из бесчисленных вложенных дуг.
Спустя столетия зонд NASA «Кассини–Гюйгенс» (Cassini) продвинул исследования Сатурна ещё дальше. Начиная с 2005 года, он отправлял поток впечатляющих изображений, которые изменили представление учёных о системе. Одним из самых ярких открытий стали высокие гейзеры на ледяной луне Сатурна — Энцеладе, которые выбрасывали обломки в космос и оставляли за собой слабое подкольцо, окружающее планету.
Новые суперкомпьютерные симуляции, проведённые Центром передовых вычислительных технологий Техасского университета (TACC) на основе данных космического зонда «Кассини», позволили получить более точные оценки массы льда, которую Энцелад теряет в космосе. Эти результаты помогают в понимании того, что находится под поверхностью ледяной луны, которая может быть пригодна для жизни, а также в планировании будущих роботизированных исследований.
«Скорости массового потока из Энцелада на 20–40 % ниже, чем указано в научной литературе», — сказал Арно Махие, старший научный сотрудник Королевского бельгийского института космической аэрономии и сотрудник кафедры аэрокосмической инженерии и инженерной механики Техасского университета в Остине.
Махие является автором соответствующего исследования компьютерного моделирования Энцелада, опубликованного в журнале Journal of Geophysical Research: Planets. В нём он и его коллеги разработали модели прямого имитационного моделирования Монте-Карло (DSMC), которые улучшают понимание структуры и поведения огромных шлейфов водяного пара и ледяных частиц, выбрасываемых из жерл на поверхности Энцелада.
Это исследование основано на предыдущей работе, опубликованной в 2019 году и возглавляемой Махие, в которой впервые использовались модели DSMC для определения начальных условий, создающих ледяные шлейфы, таких как размер жерла, соотношение водяного пара и ледяных зёрен, температура и скорость выхода.
«Моделирование DSMC очень затратно, — сказал Махие. — Мы использовали суперкомпьютеры TACC ещё в 2015 году, чтобы получить параметризации, сократив время вычислений с 48 часов до нескольких миллисекунд».
Используя математические параметризации, исследователи рассчитали плотность и скорость криовулканических шлейфов Энцелада, опираясь на данные, собранные «Кассини», когда он пролетал прямо через них.
«Основным выводом нашего нового исследования является то, что для 100 криовулканических источников мы смогли ограничить скорости массового потока и другие параметры, которые не были получены ранее, такие как температура, при которой материал выходил. Это большой шаг вперёд в понимании того, что происходит на Энцеладе», — сказал Махие.
Энцелад — крошечный мир, всего 313 миль в поперечнике, чья слабая гравитация не может сдержать ледяные струи, извергающиеся из его жерл. Это должным образом учитывается в этих моделях DSMC. Более ранние подходы были менее совершенны в своей физике и газовой динамике, чем наша модель DSMC. То, что делает Энцелад, сродни вулкану, выбрасывающему лаву в космос, — за исключением того, что выбросами являются шлейфы водяного пара и льда.
Моделирование показывает, как газ в шлейфе движется на микроуровне, где частицы движутся, сталкиваются и обмениваются энергией, подобно тому, как шарики сталкиваются друг с другом в игре. Миллионы молекул моделируются на микросекундных временных шагах, а модели DSMC позволяют проводить расчёты при более низком, более реалистичном давлении, чем раньше, с более длительным временем прохождения между столкновениями.
Дэвид Голдштейн, профессор Техасского университета в Остине и соавтор исследования, в 2011 году руководил разработкой кода DSMC под названием Planet. TACC предоставил Голдштейну ресурсы на суперкомпьютерах Lonestar6 и Stampede3 через портал кибер-инфраструктуры исследований Техасского университета, который поддерживает исследователей во всех 14 учреждениях системы UT.
«Системы TACC имеют замечательную архитектуру, которая предлагает большую гибкость, — сказал Махие. — Если мы используем код DSMC только на ноутбуке, мы можем моделировать лишь крошечные области. Благодаря TACC мы можем моделировать от поверхности Энцелада до 10 километров высоты, где шлейфы расширяются в космос».
Сатурн находится за пределами того, что астрономы называют «снеговой линией» в Солнечной системе, присоединяясь к другим планетам со своими ледяными лунами, таким как Юпитер, Уран и Нептун.
«Под этими „большими шарами изо льда“ находится океан жидкой воды», — сказал Махие. «Существует множество других миров помимо Земли, в которых есть жидкий океан. Шлейфы на Энцеладе открывают окно в подземные условия».
NASA и Европейское космическое агентство планируют будущие миссии по повторному посещению Энцелада, выходящие далеко за рамки пролётов. Предложения включают в себя посадку на поверхность луны и бурение через её кору для исследования океана под ней, поиск признаков жизни, скрытых под милями льда. Понимание и измерение содержания шлейфов Энцелада даёт нам способ фактически измерить то, что происходит под поверхностью, не пробуривая лёд.
«Суперкомпьютеры могут дать нам ответы на вопросы, о которых мы не могли и мечтать ещё 10–15 лет назад, — сказал Махие. — Теперь мы можем гораздо ближе подойти к моделированию того, что делает природа».
Предоставлено:
Университет Техаса в Остине