Astrofísica computacional
MODELAGEM NUMÉRICA DE PLASMAS ASTROFÍSICOS
Na astrofísica, está-se numa situação extraordinária, que os objetos de interesse (estrelas, galáxias, etc.) não são acessíveis a qualquer tipo de manipulação. Nenhuma experiência pode ser realizada e as observações de um evento único em particular não podem ser repetidas. A situação é ainda mais complicada porque (i) os processos físicos que dão origem ao fenômeno astrofísico podem ocorrer no interior do objeto observado, fornecendo apenas evidências indiretas desses processos; (ii) os processos podem envolver condições extremas inacessíveis experimentalmente em laboratório; e (iii) os processos que se tenta entender geralmente ocorrem em escalas de tempo comparadas com o tempo de vida humano, ou seja, a pessoa fica presa com um instantâneo dos fenômenos. Por esse motivo, a computação se tornou uma ferramenta essencial em astrofísica teórica, análise de dados e modelagem. Os astrofisicos usamos a computação científica para estudar uma enorme variedade de processos físicos. Nas escalas maiores, métodos de Transferência Radiativa, N-Corpos e Hidrodinâmica são usados para estudar a formação de estruturas cosmológicas, a formação de galáxias e a reionização. Nas escalas menores, os métodos Particle-In-Cell (PIC) são usados para seguir a aceleração de partículas, turbulência cinética e instabilidades em plasmas astrofísicos diluídos na microescala. No meio, uma ampla variedade de métodos numéricos é usada para entender as explosões de supernovas com colapso do núcleo, acreçâo em objetos compactos, fragmentação gravitacional de nuvens moleculares e formação de estrelas, discos de acreçâo e jatos relativisticos, condução turbulenta e dissipação no meio interestelar e no vento solar, e as propriedades de dispersão da luz dos grãos de poeira interestelar, apenas para citar alguns.
Neste projeto, construímos modelos teóricos que incorporam todos os processos físicos considerados importantes para o fenômeno astrofísico de interesse. O modelo deve fazer algumas previsões definidas sobre as propriedades ou o comportamento do objeto ou fenômeno. Esse processo requer simulação, porque modelos elaborados geralmente consistem em um conjunto de equações evolutivas não lineares. Se a materia dos objetos astrofísicos puder ser aproximado como um gás ou fluido, o que geralmente acontece, sua evolução será governada por um conjunto de leis de conservação de massa, momento e energia. Essas equações hidrodinâmicas constituem um conjunto de equações diferenciais parciais não lineares de primeira ordem (no tempo) acopladas. Uma maneira de resolver esse conjunto de equações é discretizar as equações no tempo e no espaço, em que as equações diferenciais parciais são transformadas em um conjunto de equações algébricas não lineares acopladas, que podem ser resolvidas em um computador com técnicas numéricas apropriadas. Como a discretização introduz erros inevitáveis, é crucial usar esquemas de discretização, que minimizem os erros. Neste projeto usamos o código numérico FLASH.