Astronomia e cosmologia
O universo, desde seus primeiros minutos até a teia cósmica, e as estrelas, planetas e buracos negros dentro dele.
Não podemos rodar o universo de novo, então os astrônomos constroem modelos dele. As simulações cosmológicas são a coisa real mais próxima da escala de “universo inteiro” do Sandbox. Elas continuam viáveis porque uma única partícula representa cerca de um milhão de sóis.
Simulação cosmológica de N corpos
Matéria escura como bilhões de partículas, crescidas sob a gravidade a partir de um universo primitivo quase uniforme até a teia cósmica de filamentos, paredes e vazios.
Pergunta que responde: O nosso modelo do universo faz crescer a mesma estrutura em larga escala que os telescópios veem?
Deixa de fora: Uma partícula representa um milhão de sóis, então nada menor que uma galáxia está realmente ali.
Roda em: cerca de 1017.5 FLOPS aproximado uma grande fração de um supercomputador nacional, por semanas.Desde: 1970 O modelo de 300 pontos de Peebles para a formação de um aglomerado de galáxias, um dos primeiros; as execuções N-corpos de aglomerados estelares começaram com von Hoerner em 1960
Formação de galáxias
Resfriamento do gás, formação de estrelas e explosões de supernovas, e acreção de buracos negros movendo ventos, tudo em camadas sobre a teia de matéria escura.
Pergunta que responde: Por que as galáxias têm as formas e os tamanhos que têm?
Deixa de fora: A formação de estrelas e a retroalimentação dos buracos negros são representadas por prescrições de subgrade ajustáveis, não derivadas de primeiros princípios.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado uma grande fatia de um supercomputador nacional, semanas de execução.Desde: 1992 as primeiras simulações combinadas de gravidade e gás da formação de galáxias.
Nucleossíntese do Big Bang
Os primeiros vinte minutos, quando o universo era um reator nuclear produzindo hidrogênio, hélio e um traço de lítio.
Pergunta que responde: As proporções de elementos previstas batem com o gás mais antigo que conseguimos medir?
Deixa de fora: Pressupõe que o universo primitivo era perfeitamente homogêneo, embora tivesse pequenas inomogeneidades.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado um laptop; o cálculo inteiro leva segundos.Desde: 1967 Os primeiros cálculos de abundâncias de elementos leves, de Wagoner, Fowler e Hoyle.
Radiação cósmica de fundo em micro-ondas
Ondulações no plasma quente do universo jovem, evoluídas até a luz ser liberada 380.000 anos depois do Big Bang.
Pergunta que responde: Que parâmetros cosmológicos produzem o padrão de pontos quentes e frios que observamos?
Deixa de fora: Pressupõe que o modelo cosmológico padrão está correto e ajusta só o seu pequeno conjunto de parâmetros.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho; minutos por conjunto de parâmetros.Desde: 1996 O código Boltzmann rápido para o céu em micro-ondas, de Seljak e Zaldarriaga.
Reionização cósmica
A luz ultravioleta das primeiras estrelas e galáxias se espalhando e ionizando o hidrogênio neutro que preenchia o universo primitivo.
Pergunta que responde: O que reionizou o universo depois das eras escuras cósmicas?
Deixa de fora: As fontes fracas e distantes que fazem a maior parte da ionização ainda estão abaixo do que qualquer telescópio consegue ver diretamente, então seus números são extrapolados.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado uma grande parte de um supercomputador nacional, por semanas.Desde: 1999 as primeiras simulações de transferência radiativa das primeiras bolhas ionizadas.
Meio intergaláctico e a floresta Lyman-alfa
O gás fino esticado entre as galáxias, evoluído sob gravidade e aquecimento até que seu padrão de absorção combine com a floresta cintilante de linhas no espectro de um quasar distante.
Pergunta que responde: Quanta matéria comum existe no gás entre as galáxias, e qual a sua temperatura?
Deixa de fora: Depende de suposições sobre como a luz ultravioleta das galáxias aquece o gás, o que não é observado diretamente.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um cluster universitário ou nacional, semanas por volume simulado.Desde: 1994 as primeiras simulações hidrodinâmicas reproduzindo a floresta Lyman-alfa.
Simulações de matéria escura ondulatória
O universo é evoluído com a matéria escura tratada como uma onda quântica coerente que obedece às equações de Schrödinger e de Poisson, em vez de partículas clássicas.
Pergunta que responde: Como seria a estrutura cósmica se a matéria escura fosse uma onda ultraleve?
Deixa de fora: A exigência de resolução das ondas torna difíceis os volumes grandes, e os bárions ficam em sua maioria de fora.
Roda em: cerca de 1019 FLOPS aproximado Grandes simulações de ondas com malha adaptativaDesde: 2014 Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave (2014) fonte
Simulações restritas do universo local
Execuções cosmológicas cujas condições iniciais são ajustadas para que o volume evoluído reproduza os vizinhos observados da nossa galáxia, inclusive aglomerados próximos.
Pergunta que responde: Dá para simular as estruturas reais ao redor da Via Láctea em vez de um trecho típico do universo?
Deixa de fora: As restrições vêm de dados de distância ruidosos, então a correspondência é estatística, não exata.
Roda em: cerca de 1019 FLOPS aproximado Grandes execuções N-corpos ou hidrodinâmicas a partir de condições iniciais restritasDesde: 2010 Constrained Local UniversE Simulations (CLUES) (2010) fonte
Emuladores cosmológicos
Um conjunto modesto de simulações cosmológicas caras é usado para treinar um interpolador rápido que prevê estatísticas, como o espectro de potência da matéria, para valores próximos dos parâmetros.
Pergunta que responde: Dá para prever a estrutura para milhares de escolhas de parâmetros a partir de apenas algumas dezenas de simulações?
Deixa de fora: Cobre apenas a faixa de parâmetros e as estatísticas com que foi treinado.
Roda em: cerca de 1018 FLOPS aproximado Planejamento de dezenas de execuções de N-corpos, depois previsões quase de graçaDesde: 2010 The Coyote Universe III: simulation suite and precision emulator (2010) fonte
Síntese de populações estelares
A luz combinada de muitas gerações de estrelas somada a partir de trilhas de evolução estelar e espectros, para ler idades, massas e a história de formação de estrelas a partir das cores de uma galáxia.
Pergunta que responde: Que mistura de estrelas dá a uma galáxia a sua cor?
Deixa de fora: Trilhas estelares e bibliotecas espectrais trazem suas próprias incertezas, como nas fases tardias da evolução.
Roda em: cerca de 109 FLOPS aproximado síntese barata de espectros, repetida em uma grade de idades e metalicidades.Desde: 1983 A evolução espectral de galáxias de Bruzual, sistemas de tipo precoce. fonte
Evolução química galáctica
O acúmulo de elementos pesados numa galáxia ao longo do tempo, a partir da entrada de gás, da formação de estrelas, da morte estelar e da saída de gás, escrito como um conjunto de equações de taxa acopladas.
Pergunta que responde: Como uma galáxia acumulou seu ferro e seu oxigênio?
Deixa de fora: A mistura e os escoamentos de gás são agrupados em poucos parâmetros livres, então o modelo se ajusta, mas não prevê.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado integração barata de equações de taxa, varrida por parâmetros.Desde: 1968 O modelo de Tinsley para a evolução das estrelas e do gás nas galáxias. fonte
Formação de galáxias semianalítica
Galáxias pintadas sobre os halos em fusão de uma simulação de matéria escura com regras simples de resfriamento, formação de estrelas e realimentação, acompanhando cada galáxia a baixo custo.
Pergunta que responde: Quantas galáxias de cada tamanho os halos de matéria escura abrigam?
Deixa de fora: As receitas de formação de estrelas e de retroalimentação são ajustadas, não derivadas.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado regras aplicadas a milhões de árvores de fusões, muito mais baratas que a hidrodinâmica.Desde: 1993 A formação de galáxias dentro de halos de matéria escura em fusão, de Kauffmann, White e Guiderdoni. fonte
Simulação de matéria escura autointeragente
Partículas de matéria escura que podem se dispersar umas nas outras, de modo que os núcleos dos halos se achatam e os satélites mudam de forma, testadas contra observações de galáxias.
Pergunta que responde: Partículas de matéria escura colidem, e isso suaviza os núcleos das galáxias?
Deixa de fora: A seção de choque é um número livre, e a retroalimentação bariônica pode imitar ou esconder o mesmo núcleo.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado Execuções N-corpos com um passo de espalhamento acrescentado.Desde: 2000 A matéria escura fracamente autointeragente e a estrutura dos halos escuros, de Yoshida, Springel, White e Tormen. fonte
Simulação cosmológica com neutrinos massivos
Neutrinos com uma pequena massa acrescentados a uma simulação de formação de estruturas como partículas ou como fluido em grade, para medir o efeito sobre o crescimento da teia cósmica.
Pergunta que responde: Quanto a massa do neutrino retarda o crescimento das estruturas cósmicas?
Deixa de fora: O ruído térmico dos neutrinos deixa os esquemas de partículas ruidosos, e a massa deles é, ela própria, desconhecida.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado execuções N-corpos de grande volume com um componente de neutrinos acrescentado.Desde: 2008 O efeito do movimento térmico dos neutrinos no espectro de potência não linear da matéria, de Brandbyge, Hannestad, Haugboelle e Thomsen. fonte
Formação de estruturas com gravidade modificada
Execuções N-corpos em que a gravidade se afasta da relatividade geral em grandes escalas, com um mecanismo de blindagem que a restaura nas proximidades, para que o cosmos possa ser testado em busca de novas forças.
Pergunta que responde: Uma mudança na gravidade deixaria uma assinatura na estrutura cósmica?
Deixa de fora: Cada teoria precisa de seu próprio solucionador sob medida, e a triagem é cara de acompanhar com precisão.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado execuções N-corpos que resolvem uma equação de campo não linear extra a cada passo.Desde: 2008 A evolução não linear de cosmologias f(R), metodologia, de Oyaizu. fonte
Traçado de raios de lente gravitacional fraca em universos simulados
Raios de luz traçados pela matéria de uma grande simulação para prever como as formas das galáxias são levemente distorcidas, de modo que os levantamentos possam ser calibrados.
Pergunta que responde: Quanto as formas de galáxias distantes são distorcidas pela matéria no caminho?
Deixa de fora: As aproximações de múltiplos planos e a resolução finita borram as menores estruturas de lente.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado traçado de raios por centenas de instantâneos N-corpos.Desde: 2000 As simulações de traçado de raios de lentes gravitacionais fracas pela estrutura em grande escala, de Jain, Seljak e White. fonte
Evolução de redes de cordas cósmicas
Uma rede de defeitos finos e esticados, restos de uma transição de fase primordial, evoluída para ver quantos laços e cordas longas sobrevivem e como gravitariam.
Pergunta que responde: As cordas cósmicas, se existirem, se acomodam em um padrão que se mantém sem escala?
Deixa de fora: As execuções de teoria de campo não alcançam larguras realistas de cordas, e o regime de escala só é abordado por extrapolação.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado Simulações de Nambu-Goto ou de teoria de campos em uma caixa em expansão.Desde: 1985 A evolução calculada de cordas cósmicas por Albrecht e Turok. fonte
Dinâmica de campos em rede do universo primordial
Campos escalares em uma rede evoluídos até o fim da inflação para ver como a energia do ínflaton é passada às partículas em uma violenta explosão ressonante.
Pergunta que responde: Como o universo esquentou depois da inflação?
Deixa de fora: Campos clássicos substituem flutuações quânticas, o que só vale enquanto os números de ocupação são grandes.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado execuções de campo clássico em rede de até alguns milhares de pontos por lado.Desde: 1996 O decaimento clássico do ínflaton, de Khlebnikov e Tkachev. fonte
Propagação de raios cósmicos galácticos
Partículas carregadas de supernovas vagando pela Galáxia sob difusão, perda de energia e reações nucleares, para prever o que chega à Terra e os raios gama que emitem.
Pergunta que responde: Como os raios cósmicos se difundem pela Galáxia, e o que deixam para trás?
Deixa de fora: O campo magnético e a distribuição de gás da Galáxia são suavizados, então os coeficientes de difusão são ajustados.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado solução numérica de uma equação de transporte em uma grade de parâmetros.Desde: 1998 A propagação de núcleons de raios cósmicos na Galáxia, de Strong e Moskalenko. fonte
Simulação cosmológica diferenciável
Uma simulação partícula-malha do crescimento de estruturas escrita de modo que gradientes fluam por ela, permitindo ajustar as condições iniciais ou os parâmetros diretamente às galáxias observadas.
Pergunta que responde: Que campo de densidade inicial e que cosmologia reproduzem as galáxias que de fato vemos?
Deixa de fora: O esquema rápido de partícula-malha é grosseiro em pequenas escalas, então serve para grandes estruturas, mas não para o interior das galáxias.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado centenas de horas de GPU por volume ajustado.Desde: 2020 O FlowPM, de Modi e colegas, um solucionador cosmológico de partículas e malha distribuído em TensorFlow. fonte
Catálogos e imagens sintéticos de levantamentos do céu
Um universo sintético de galáxias, estrelas e transientes é extraído de simulações e depois convertido nas imagens de pixels que um telescópio de levantamento e seu pipeline registrariam, com ruído, sobreposição e efeitos do instrumento.
Pergunta que responde: O software do levantamento recuperaria a cosmologia verdadeira a partir de um céu cuja verdade conhecemos?
Deixa de fora: O céu simulado contém apenas a física e os efeitos de instrumento que seus autores pensaram em incluir, então os erros sistemáticos imprevistos continuam imprevistos.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado meses em algumas alocações de supercomputador para gerar catálogos e imagens.Desde: 2021 A simulação de levantamento do céu DC2, da LSST Dark Energy Science Collaboration. fonte
Simulação de colisão e fusão de galáxias
Duas galáxias tratadas como discos de estrelas de teste que passam uma pela outra sob gravidade, para mostrar como se formam caudas de maré, pontes e fusões.
Pergunta que responde: Os longos fluxos de estrelas vistos em torno de algumas galáxias vêm de um encontro próximo no passado?
Deixa de fora: As primeiras versões ignoram a gravidade das estrelas entre si e sobre o gás, e qualquer correspondência com um par real é só uma história possível.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado de horas a dias em uma estação de trabalho para uma fusão moderna de alta resolução.Desde: 1972 Os cálculos restritos de três corpos de Toomre e Toomre para pontes e caudas galácticas. fonte
Evolução estelar
Uma estrela como camadas aninhadas de gás, queimando seu combustível do nascimento até virar anã branca, estrela de nêutrons ou buraco negro.
Pergunta que responde: Quanto tempo vive uma estrela desta massa, e como ela morre?
Deixa de fora: Trata a convecção e a rotação com prescrições parametrizadas em vez de resolver a turbulência diretamente.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado um laptop; uma trilha evolutiva completa leva minutos.Desde: 1955 Os primeiros modelos calculados de estrelas gigantes vermelhas, de Hoyle e Schwarzschild.
Supernovas de colapso de núcleo
O último segundo de uma estrela massiva: o núcleo colapsando, neutrinos jorrando e uma onda de choque que ou destrói a estrela ou estagna.
Pergunta que responde: Que mecanismo impulsiona a explosão de uma estrela massiva?
Deixa de fora: O mecanismo que reanima o choque estagnado ainda não está definido, e os modelos diferem de estrela para estrela.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado uma grande parte de um supercomputador nacional, por meses.Desde: 1966 Os primeiros modelos computacionais de colapso de núcleo de Colgate e White.
Formação de estrelas
Nuvens de gás frio colapsando sob a gravidade em aglomerados de estrelas, com turbulência e campos magnéticos empurrando de volta.
Pergunta que responde: Por que as estrelas se formam com a distribuição de massas que têm?
Deixa de fora: Ainda não consegue resolver ao mesmo tempo uma nuvem inteira e as escalas minúsculas em que uma única estrela de fato se forma.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um cluster universitário ou nacional, semanas para uma nuvem.Desde: 1969 O primeiro cálculo do colapso de uma nuvem protoestelar, de Larson.
Oscilações estelares
Ondas sonoras e ondas de gravidade ressoando no interior de uma estrela, calculadas para prever o padrão de oscilações de brilho que um telescópio veria.
Pergunta que responde: O que a oscilação de uma estrela nos diz sobre o que há dentro dela?
Deixa de fora: Só as camadas externas são bem restringidas. O núcleo propriamente dito ainda é questão de inferência, não de medição direta.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado um laptop; um espectro completo de oscilações leva minutos.Desde: 1975 os primeiros modelos de oscilação calculados e comparados com as pulsações de cinco minutos observadas no Sol.
Evolução de estrelas binárias
Duas estrelas em órbita tão próximas que puxam gás uma da outra, trocam massa, se fundem ou terminam como um par ligado de remanescentes compactos.
Pergunta que responde: Este par de estrelas vai terminar numa fusão, num par que sobrevive, ou numa fonte de ondas gravitacionais?
Deixa de fora: A transferência de massa entre duas estrelas ainda é representada por um pequeno conjunto de prescrições ajustáveis, e não derivada dos primeiros princípios.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado um laptop; uma população de binárias evolui em minutos.Desde: 1967 os primeiros modelos calculados de transferência de massa entre estrelas binárias próximas.
Atmosferas e espectros estelares
Luz escapando pelas camadas externas de uma estrela, calculada em função da temperatura e da composição para prever o espectro que um telescópio registraria.
Pergunta que responde: Do que é feita esta estrela, e qual é a temperatura de sua superfície?
Deixa de fora: Pressupõe uma atmosfera lisa e calma, quando manchas estelares e células de convecção na verdade tornam rugosa a superfície real.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho; horas por estrela modelada.Desde: 1967 as primeiras atmosferas-modelo calculadas comparadas com espectros estelares medidos.
Evolução do sabor dos neutrinos em supernovas
O fluxo denso de neutrinos que sai de uma estrela em colapso, acompanhado enquanto eles se espalham uns nos outros e mudam de sabor, o que afeta a explosão e os elementos forjados.
Pergunta que responde: Como os neutrinos trocam de sabor na multidão dentro de uma supernova?
Deixa de fora: O problema completo é grande demais para ser resolvido junto com a explosão, então a física do sabor é tratada em caixas pequenas e simplificadas.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado equações cinéticas quânticas acopladas em poucas dimensões.Desde: 2006 A simulação da transformação não linear coerente de sabor de neutrinos no ambiente de supernovas, de Duan, Fuller, Carlson e Qian. fonte
Simulação da convecção na superfície das estrelas
As camadas superficiais em ebulição de uma estrela calculadas em três dimensões com radiação, para reproduzir a granulação e a forma das linhas espectrais.
Pergunta que responde: Como é a superfície de uma estrela, e como se formam suas linhas?
Deixa de fora: Apenas uma faixa fina é modelada, e as camadas profundas abaixo são impostas por modelos estelares unidimensionais.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado hidrodinâmica de radiação tridimensional de um trecho da superfície.Desde: 1998 As simulações de granulação solar de Stein e Nordlund. fonte
Evolução de envelope comum
Uma estrela compacta em espiral dentro das camadas externas inchadas de sua companheira, expulsando o gás ou se fundindo, acompanhada com hidrodinâmica para ver quais binárias próximas sobrevivem.
Pergunta que responde: A estrela em espiral ejeta o envoltório ou se funde com o núcleo?
Deixa de fora: As execuções duram muito menos que o evento real e não conseguem resfriar o gás, então as separações finais continuam incertas.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado execuções hidrodinâmicas tridimensionais de algumas órbitas.Desde: 1996 As simulações hidrodinâmicas de sistemas de envelope comum, de Rasio e Livio. fonte
Síntese de populações binárias
Milhões de estrelas binárias evoluídas com regras rápidas para transferência de massa, marés e chutes de supernova, para prever quantas fusões, novas e fontes de ondas gravitacionais uma galáxia abriga.
Pergunta que responde: Quantas binárias de buracos negros e estrelas de nêutrons uma galáxia produz?
Deixa de fora: Fórmulas de ajuste rápido substituem modelos estelares detalhados, então resultados raros dependem das regras assumidas.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado milhões de binárias evoluídas com ajustes analíticos.Desde: 2002 A evolução rápida de estrelas binárias, com marés, para estudos de populações, de Hurley, Tout e Pols. fonte
Colapsares e jatos de explosões de raios gama
Uma estrela massiva colapsando em um buraco negro e lançando um jato através de seu envoltório estelar, acompanhada com hidrodinâmica relativística para ver se uma explosão consegue escapar.
Pergunta que responde: Um jato de uma estrela em colapso consegue romper e produzir uma explosão de raios gama?
Deixa de fora: O lançamento do jato é imposto à mão, porque o motor central é pequeno e rápido demais para ser acompanhado com o envelope.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado de hidrodinâmica relativística axissimétrica a tridimensional.Desde: 1999 As simulações de colapsares de explosões de raios gama e de supernovas fracassadas, de MacFadyen e Woosley. fonte
Redes de reações astroquímicas
Centenas de reações em fase gasosa e na superfície de grãos integradas em uma nuvem interestelar fria, para prever quais moléculas se formam e como se esgotam quando as estrelas começam a se condensar.
Pergunta que responde: Que moléculas se formam numa nuvem fria, e com que rapidez?
Deixa de fora: Muitos coeficientes de taxa só são medidos à temperatura ambiente, ou são chutados.
Roda em: cerca de 108 FLOPS aproximado equações de taxa rígidas para milhares de espécies, baratas por nuvem.Desde: 1973 O modelo de Herbst e Klemperer para a formação e o esgotamento de moléculas em nuvens interestelares densas. fonte
Turbulência magnetizada interestelar
Um gás compressível e magnetizado agitado em uma caixa periódica para descobrir com que rapidez a turbulência perde energia, o que define a velocidade com que as nuvens colapsam em estrelas.
Pergunta que responde: Com que rapidez a turbulência no gás interestelar se dissipa?
Deixa de fora: A dissipação numérica faz as vezes da física real em pequena escala, e a caixa não tem paredes nem gravidade.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado execuções tridimensionais de MHD em alta resolução.Desde: 1998 A dissipação em turbulência magnetohidrodinâmica compressível, de Stone, Ostriker e Gammie. fonte
Formação de planetas
Poeira em um disco ao redor de uma estrela jovem se agregando em seixos, planetesimais e, por fim, planetas.
Pergunta que responde: Como um disco de poeira acaba virando um sistema solar?
Deixa de fora: O passo de seixo a planetesimal, de quilômetros de largura, ainda é mais presumido do que derivado.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário, de dias a semanas para um disco.Desde: 1978 As primeiras simulações numéricas de acreção de planetesimais, de Greenberg e colegas.
Dinâmica orbital
Os planetas puxando uns aos outros ao longo de bilhões de anos, e asteroides e cometas passando entre eles.
Pergunta que responde: O sistema solar é estável, e este asteroide vai atingir alguma coisa?
Deixa de fora: Caos significa que um minúsculo erro de arredondamento pode inverter a resposta depois de tempo suficiente.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado um computador desktop; bilhões de anos cabem em dias.Desde: 1988 O orrery digital de Sussman e Wisdom encontrou caos na órbita de Plutão.
Atmosferas planetárias e de exoplanetas
Modelos climáticos adaptados a outros mundos: gases, gravidade, rotação e luz estelar diferentes.
Pergunta que responde: A água líquida poderia sobreviver na superfície desse planeta?
Deixa de fora: Aplica parametrizações de nuvens e química calibradas para a Terra a atmosferas que podem se comportar de modo muito diferente.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário, dias por ano planetário simulado.Desde: 1969 O primeiro modelo de circulação geral de Marte, de Leovy e Mintz.
Interiores planetários e dínamos
Rocha ou metal quente em convecção no fundo de um planeta, modelado para ver se gera um campo magnético e como o calor escapa para a superfície.
Pergunta que responde: Por que este planeta tem campo magnético, e outro, de tamanho parecido, não tem?
Deixa de fora: Roda com uma viscosidade e uma taxa de rotação muito mais brandas que as de um núcleo planetário real, depois ampliadas por suposição.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um cluster nacional, semanas para um único modelo do interior.Desde: 1995 os primeiros modelos computacionais tridimensionais do geodínamo gerando o campo da Terra.
Formação de crateras de impacto
Um asteroide ou cometa atingindo um planeta, modelado da onda de choque pelo solo até a cratera, os destroços e os efeitos climáticos que ficam.
Pergunta que responde: Qual seria o tamanho da cratera, e qual o dano, causados por este impactador?
Deixa de fora: A resistência e a estrutura interna do impactor costumam ser inferidas só pelo tamanho e pela velocidade.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, horas por cenário de impacto.Desde: 1980 as primeiras simulações de hidrocódigo de crateras de impacto, motivadas pela hipótese de extinção dos dinossauros.
Detecção e caracterização de exoplanetas
O escurecimento ou a oscilação que um planeta causaria na luz de sua estrela, calculados para comparar com dados reais de telescópio e extrair seu tamanho e sua órbita.
Pergunta que responde: Aquela queda de brilho é mesmo um planeta, e, se for, qual o seu tamanho?
Deixa de fora: Manchas estelares e oscilações da própria estrela podem imitar o sinal de um planeta a ponto de enganar uma busca automática.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho; de minutos a horas por sinal candidato.Desde: 1984 os primeiros modelos calculados de curvas de luz usados para planejar as primeiras buscas de exoplanetas.
Simulações de grandes impactos
Hidrodinâmica de partículas suavizadas de dois corpos do tamanho de planetas em colisão, acompanhando o material fundido e os detritos que podem se juntar numa lua.
Pergunta que responde: Uma colisão entre planetas jovens poderia ter produzido a Lua?
Deixa de fora: Os resultados dependem da equação de estado e do spin e do ângulo iniciais supostos.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado Milhões de partículas SPH com equações de estado realistasDesde: 2001 Origin of the Moon in a giant impact near the end of Earth's formation (2001) fonte
Síntese de populações de planetas
Modelos semianalíticos rápidos de formação de planetas são rodados para milhares de sistemas simulados, produzindo uma população estatística que é comparada com levantamentos de exoplanetas.
Pergunta que responde: Que mistura de massas e órbitas planetárias uma dada teoria de formação prevê?
Deixa de fora: Cada sistema é um modelo unidimensional simplificado, não uma simulação hidrodinâmica completa.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado Milhares de execuções unidimensionais baratas de discosDesde: 2004 Toward a deterministic model of planetary formation I (2004) fonte
Recuperação de atmosferas de exoplanetas
Uma atmosfera modelo rodada milhares de vezes contra um espectro de transmissão ou emissão para inferir temperatura e abundâncias moleculares.
Pergunta que responde: Do que é feito o ar de um planeta distante?
Deixa de fora: Modelos unidimensionais são ajustados a dados de qualidade limitada, então as soluções degeneradas são comuns.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado milhões de avaliações de espectro em um amostrador bayesiano.Desde: 2009 O método de recuperação de temperatura e abundância para atmosferas de exoplanetas, de Madhusudhan e Seager. fonte
Modelagem do clima da zona habitável
Um modelo climático unidimensional de um planeta rochoso a diferentes distâncias de sua estrela, equilibrando luz estelar, gases de efeito estufa e nuvens para achar onde a água líquida pode durar.
Pergunta que responde: A que distância de sua estrela um planeta pode estar e manter água líquida?
Deixa de fora: Uma coluna não consegue representar nuvens nem o contraste entre dia e noite, então as bordas da zona se movem com modelos tridimensionais.
Roda em: cerca de 106 FLOPS aproximado uma coluna radiativo-convectiva unidimensional, leve o bastante para um laptop.Desde: 1993 As zonas habitáveis em torno de estrelas da sequência principal, de Kasting, Whitmire e Reynolds. fonte
Formação de planetesimais por instabilidade de fluxo
Grãos de poeira em um disco de gás se aglomerando nos primeiros corpos de um quilômetro, simulados com partículas e gás para ver se a turbulência consegue concentrá-los o bastante para colapsar.
Pergunta que responde: Como os seixos se aglomeram nos primeiros blocos de construção dos planetas?
Deixa de fora: Pequenas caixas cobrem um trecho do disco, e os tamanhos das partículas ficam numa faixa estreita.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado execuções tridimensionais em caixa local com centenas de milhões de partículas.Desde: 2007 A formação rápida de planetesimais em discos circunstelares turbulentos, de Johansen e colegas. fonte
Interação entre planeta e disco e migração
Um planeta imerso no disco de gás em que se formou, que puxa uma esteira em espiral que o arrasta para dentro ou para fora.
Pergunta que responde: Por que os planetas se afastam do lugar onde se formaram?
Deixa de fora: A taxa de migração é sensível à termodinâmica e à viscosidade do disco, que são mal conhecidas.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado execuções hidrodinâmicas de disco por milhares de órbitas.Desde: 2000 As simulações hidrodinâmicas da migração de um sistema de protoplanetas, de Kley. fonte
Fusões de buracos negros
As equações de Einstein resolvidas diretamente enquanto dois buracos negros espiralam juntos, produzindo o sinal de ondas gravitacionais que os detectores escutam.
Pergunta que responde: Que forma de onda deveríamos ver de dois buracos negros com estas massas?
Deixa de fora: A última fração de segundo antes da fusão ainda exige aproximações que nenhum computador resolve por completo.
Roda em: cerca de 1016.5 FLOPS aproximado um grande cluster, semanas para uma única forma de onda.Desde: 1964 O primeiro cálculo da colisão frontal de dois buracos negros, de Hahn e Lindquist.
Discos de acreção e jatos
Gás magnetizado em espiral rumo a um buraco negro, esquentando e lançando jatos que percorrem milhares de anos-luz.
Pergunta que responde: Como um buraco negro brilha mais do que a galáxia ao redor?
Deixa de fora: Não consegue acompanhar o disco até a escala do próprio buraco negro e da galáxia mais ampla ao mesmo tempo.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um grande cluster, semanas para uma simulação global de disco.Desde: 1991 As simulações de Balbus e Hawley que revelaram a instabilidade magnetorrotacional.
Clima espacial
O vento solar e as erupções do Sol atingindo o campo magnético da Terra.
Pergunta que responde: Esta tempestade solar vai danificar satélites ou redes elétricas, e quando ela chega?
Deixa de fora: Prevê o momento de chegada de uma erupção com precisão moderada e a sua intensidade com precisão consideravelmente menor.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado o cluster de um centro nacional de previsão, rodado várias vezes por dia.Desde: 1978 as primeiras simulações globais de MHD do vento solar atingindo o campo da Terra.
Fusões de estrelas de nêutrons
Duas estrelas de nêutrons em espiral que colidem, acompanhadas pelas equações de Einstein e pela física nuclear ao mesmo tempo, para ver que detritos e luz são lançados.
Pergunta que responde: Essa fusão forma um buraco negro, e forja os elementos pesados encontrados na Terra?
Deixa de fora: A física nuclear de matéria tão densa ainda não é totalmente conhecida, então a composição dos detritos traz incerteza real.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado uma grande parte de um supercomputador nacional, por semanas.Desde: 1990 as primeiras simulações de hidrodinâmica relativística de estrelas de nêutrons em colisão.
Magnetosferas de pulsares
O campo magnético e o plasma em redemoinho ao redor de uma estrela de nêutrons em rotação, calculados para ver como ela emite ondas de rádio e partículas de alta energia para o espaço.
Pergunta que responde: Por que o feixe de um pulsar varre periodicamente a linha de visada, e o que determina seu formato?
Deixa de fora: O plasma bem na superfície da estrela, onde o feixe de fato se forma, ainda é mal compreendido fisicamente.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário, dias por modelo de magnetosfera.Desde: 1999 as primeiras simulações globais do campo magnético em rotação de um pulsar.
Interior solar e dínamo
Plasma quente em convecção e rotação dentro do Sol, modelado para ver como ele enrola o campo magnético até formar o ciclo de manchas solares de onze anos.
Pergunta que responde: Por que a atividade magnética do Sol sobe e desce num ciclo de onze anos?
Deixa de fora: Ainda não consegue reproduzir com confiabilidade o período e a amplitude do ciclo sem ajustar o modelo em direção aos valores observados.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um cluster nacional, semanas para um único ciclo simulado.Desde: 1983 as primeiras simulações tridimensionais de convecção do interior solar.
Bancos de modelos de ondas gravitacionais a partir da relatividade numérica
Centenas a milhares de fusões simuladas de buracos negros, cobrindo razões de massa e spins, calibradas em modelos de formas de onda que os detectores comparam com os dados.
Pergunta que responde: Como é o sinal de uma dada fusão de buracos negros?
Deixa de fora: Os catálogos são esparsos no espaço de parâmetros, então os modelos de forma de onda entre eles são ajustes, não simulações.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado milhares de execuções de fusões, cada uma levando semanas num cluster.Desde: 2013 O catálogo de 174 simulações de buracos negros binários para a astronomia de ondas gravitacionais, de Mroue e colegas. fonte
Desafios de dados simulados de ondas gravitacionais
Dados simulados de detectores com muitas fontes injetadas e ruído realista, usados para testar se os pipelines de análise conseguem recuperar os sinais astrofísicos escondidos.
Pergunta que responde: Um pipeline de análise consegue achar e medir todas as fontes enterradas no ruído?
Deixa de fora: O ruído é idealizado e a população de fontes injetadas é suposta, então faltam as complicações dos dados reais.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado muitos fluxos longos de dados com milhares de fontes sobrepostas.Desde: 2006 Os Mock LISA Data Challenges, os primeiros testes cegos da comunidade para a análise de ondas gravitacionais feita no espaço. fonte
Simulação da magnetosfera e das explosões de magnetares
O campo magnético torcido fora de um magnetar, a estrela de nêutrons com os campos mais fortes conhecidos, acompanhado enquanto acumula tensão, se reconecta e libera erupções.
Pergunta que responde: Como o campo retorcido de uma estrela de nêutrons libera energia em uma explosão?
Deixa de fora: A aproximação livre de força (force-free) ignora a inércia do plasma e a produção de pares que alimenta as erupções reais.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado execuções relativísticas livres de força em um cluster.Desde: 2012 A simulação de magnetosferas de magnetares que se torcem e se reconectam, de Parfrey, Beloborodov e Hui. fonte
Renderização da sombra e da imagem de buracos negros
Raios de luz traçados pelo espaço-tempo curvo em volta de um buraco negro e de seu gás quente para prever a imagem em forma de anel que um telescópio veria.
Pergunta que responde: Como é, visto da Terra, o gás incandescente ao redor de um buraco negro?
Deixa de fora: O modelo de gás é um palpite de pós-processamento, então a imagem depende das temperaturas eletrônicas e do campo magnético presumidos.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado traçado de raios por milhares de instantâneos de simulações de acreção.Desde: 2000 A imagem simulada da sombra do buraco negro no centro da Galáxia, de Falcke, Melia e Agol. fonte
Ruptura de estrelas por forças de maré de buracos negros
Uma estrela despedaçada por um buraco negro massivo, seus destroços esticados em um fluxo que cai de volta e brilha, acompanhada com hidrodinâmica.
Pergunta que responde: Quanto de uma estrela despedaçada cai no buraco negro, e qual o brilho da explosão?
Deixa de fora: A radiação que torna a erupção visível é apenas aproximada, então a curva de luz é inferida, não simulada de ponta a ponta.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado execuções com partículas suavizadas ou em grade, com tratamento da relatividade geral.Desde: 1989 A simulação hidrodinâmica da ruptura de maré de uma estrela por um buraco negro massivo, de Evans e Kochanek. fonte
Transferência radiativa em quilonovas
A nuvem brilhante de detritos de elementos pesados da fusão de estrelas de nêutrons, modelada com aquecimento radioativo e transporte de radiação para prever sua luz e sua cor.
Pergunta que responde: Qual é o brilho, e quão avermelhado, do brilho residual da fusão de estrelas de nêutrons?
Deixa de fora: As opacidades dos elementos mais pesados dependem de dados atômicos incompletos e dominam a incerteza na cor prevista.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado transporte radiativo de Monte Carlo multidimensional com dados de opacidade atômica.Desde: 2010 O modelo de Metzger e colegas de contrapartes eletromagnéticas alimentadas pelo decaimento radioativo do processo r. fonte
Modelagem dos cinturões de radiação
Elétrons e prótons de alta energia presos no campo magnético em volta de um planeta, movidos por difusão, injeção e perda, para prever riscos para satélites.
Pergunta que responde: Por que os cinturões de radiação aprisionada incham e esvaziam durante as tempestades magnéticas?
Deixa de fora: As taxas de difusão onda-partícula são parametrizadas a partir de medições limitadas, uma das principais fontes de erro.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado execuções tridimensionais de difusão ao longo de intervalos de tempestade.Desde: 1995 Beutier and Boscher's three-dimensional model of the electron radiation belt. fonte
Inferência neural para ondas gravitacionais
Uma rede neural é treinada com milhões de sinais simulados de fusões em ruído sintético de detector, para dar quase de imediato as massas, os spins e a distância prováveis de um novo evento.
Pergunta que responde: As propriedades de uma fusão de buracos negros podem ser inferidas em segundos, cedo o bastante para apontar telescópios para ela?
Deixa de fora: Só é tão bom quanto o modelo de forma de onda e o ruído com que foi treinado, e sinais incomuns podem cair fora do que ele aprendeu.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado semanas de treinamento em GPU com formas de onda simuladas.Desde: 2021 A estimativa neural da distribuição posterior, de Dax e colegas, para eventos de ondas gravitacionais. fonte