Astrofísica computacional

MODELAGEM NUMÉRICA DE PLASMAS ASTROFÍSICOS

Na astrofísica, nos deparamos com uma situação extraordinária, na qual os objetos de interesse, como estrelas e galáxias, não estão acessíveis para manipulação direta. Isso impossibilita a realização de experimentos controlados e a repetição de observações de eventos únicos. A complexidade aumenta porque: (i) os processos físicos responsáveis pelos fenômenos astrofísicos podem ocorrer internamente nos objetos observados, fornecendo apenas evidências indiretas desses processos; (ii) esses processos podem envolver condições extremas que são inacessíveis experimentalmente em laboratórios; e (iii) muitos desses processos ocorrem em escalas de tempo que se estendem além da vida humana, limitando nossa observação a instantâneos desses fenômenos. Por essas razões, a computação tornou-se uma ferramenta indispensável na astrofísica teórica, análise de dados e modelagem. A computação científica é empregada para estudar uma ampla variedade de processos físicos. Em escalas maiores, métodos como Transferência Radiativa, N-Corpos e Hidrodinâmica são utilizados para estudar a formação de estruturas cosmológicas, a formação de galáxias e a reionização do universo. Em escalas menores, técnicas como Particle-In-Cell (PIC) são empregadas para analisar a aceleração de partículas, turbulência cinética e instabilidades em plasmas astrofísicos diluídos na microescala. Em uma escala intermediária, uma diversidade de métodos numéricos é aplicada para entender fenômenos como explosões de supernovas com colapso do núcleo, acreção em objetos compactos, fragmentação gravitacional de nuvens moleculares e formação estelar, bem como a dinâmica de discos de acreção e jatos relativísticos. Esses métodos também investigam a condução turbulenta e dissipação no meio interestelar e no vento solar, e as propriedades de dispersão da luz por grãos de poeira interestelar, entre outros processos. Assim, a computação facilita uma compreensão mais profunda dos fenômenos astrofísicos, ampliando significativamente os limites de nossa investigação científica.

Neste projeto, desenvolvemos modelos teóricos que abrangem todos os processos físicos considerados cruciais para o entendimento do fenômeno astrofísico em questão. Estes modelos são projetados para fazer previsões específicas sobre as propriedades ou o comportamento do objeto ou fenômeno estudado. Devido à complexidade destes modelos, que frequentemente envolvem um conjunto de equações evolutivas não lineares, recorremos à simulação numérica. Frequentemente, a matéria em objetos astrofísicos pode ser aproximada como um gás ou fluido, situação na qual sua evolução é regida por leis de conservação de massa, momento e energia. Estas leis são formuladas através de um conjunto de equações hidrodinâmicas, que são equações diferenciais parciais não lineares de primeira ordem no tempo e acopladas entre si. Para resolver estas equações, uma abordagem comum é a discretização tanto no tempo quanto no espaço. Isso converte as equações diferenciais parciais em um sistema de equações algébricas não lineares acopladas, que podem ser resolvidas numericamente em computadores utilizando técnicas adequadas. É vital selecionar esquemas de discretização que minimizem os erros introduzidos por este processo, visto que a discretização inevitavelmente gera imprecisões. Para a implementação deste projeto, utilizamos o código numérico FLASH. Este é um código de simulação avançado, amplamente reconhecido por sua robustez e precisão em modelagem de fluxos de fluidos sob influência de forças gravitacionais, sendo ideal para a simulação de fenômenos complexos em astrofísica. O uso do FLASH permite a execução de simulações detalhadas e precisas, facilitando a análise aprofundada dos fenômenos astrofísicos e a verificação das previsões do modelo contra observações ou experimentos.