Astrofyzika

Výzva: 30. Veřejná grantová soutěž; OPEN-30-50

Hlavní řešitelka: Camille Landri

Instituce: Univerzita Karlova

Oblast: astrofyzika

Hvězdy v těsných dvojhvězdných systémech se vyvíjejí jinak než izolované osamocené hvězdy. Procházejí různými typy interakcí, které významně ovlivňují jejich strukturu a vývoj. Například je běžné, že jedna z hvězd předá část své hmoty druhé hvězdě. Tyto fáze přenosu hmoty se později mohou stát nestabilními, což vede k tomu, že se hvězdný společník ponoří do nitra dárcovské hvězdy a zahájí fázi takzvaného "vývoje společné obálky". Když se společník spirálovitě vnoří do vnitřní vrstvy dárce, může dojít k vyvržení těchto vrstev a dvojhvězdný systém přežije na velmi krátké dráze a často se stane zdrojem jasných astrofyzikálních jevů a/nebo gravitačních vln. Vývoj společné obálky je tedy důležitým procesem, který byl podrobně studován, ale vliv předchozích fází vývoje dvojhvězdy na vývoj společné obálky ještě nebyl řádně prozkoumán.

Vývoj hvězd, jak těch osamocených, tak těch ve dvojhvězdných systémech, probíhá v řádu miliard let, a proto se při vymezování těchto procesů musíme spoléhat na simulace. V tomto projektu kombinujeme nejmodernější 1D a 3D hydrodynamické simulace k modelování celkového vývoje těsných dvojhvězdných systémů. Díky simulacím prováděným na superpočítačích v IT4Innovations lze přesně charakterizovat, jak předchozí fáze vývoje dvojhvězd ovlivňují závěrečné fáze života dvojhvězdných systémů, což je nesmírně důležité pro výzkum vývoje společných obálek, splynutí hvězd a vzniku dvojhvězd s krátkými periodami.

Tento výzkum je financován z programu Horizont 2020, ERC Starting Grant "Cat-In-hAT" (grantová dohoda č. 803158).

Vliv prachu na migraci akretujících planet nízkých hmotností v prachových a magnetizovaných discích

Výzva: 26. Veřejná grantová soutěž; OPEN-26-29, multiyear

Hlavní řešitel: Raul Chametla

Instituce: Univerzita Karlova

Oblast: Astrofyzika

Předpokládá se, že planety se rodí a migrují v protoplanetárním disku, který obíhá kolem hvězdy podobné Slunci. Analytické a numerické modely disků tvořených ideálním plynem (bez dodatečných poruch hustoty plynu a bez zahrnutí prachu v disku) předpovídají rychlou migraci planet podobných Zemi směrem k centrální hvězdě za dobu kratší, než je doba života protoplanetárního disku. Pokud by k tomu skutečně došlo, měly by planety nízkých hmotností (včetně té naší) neodvratně směřovat k centrální hvězdě. Tato situace však může být jiná, pokud do modelu plynného disku zahrneme prach a poruchy hustoty. 
Hlavním cílem této studie je pomocí trojrozměrných hydrodynamických (HD) a magnetohydrodynamických (MHD) multifluidních simulací s vysokým rozlišením zjistit vliv prachu na migraci planet podobných Zemi v protoplanetárních discích. Náš přístup zohledňující mnohem komplexnější modely disků, které mohou zahrnovat poruchy hustoty způsobené magnetickým polem v disku a akrecí plynu a prachu z planety, může přinést nová možná řešení problému rychlé migrace dovnitř.

Průchody hvězd akrečním tokem na superhmotné černé díry

Výzva: 25. Veřejná grantová soutěž; OPEN-25-47
Hlavní řešitel: Petra Suková
Instituce: Astronomický ústav Akademie věd České republiky
Oblast: Astrofyzika

V blízkém okolí superhmotných černých děr, které se nacházejí v centrech galaxií, se může kromě plynu a prachu nacházet mnoho menších objektů hvězdné velikosti - hvězdy samotné, neutronové hvězdy nebo menší černé díry. Při svém pohybu kompaktní objekt  interaguje s akrečním tokem a narušuje ho. Jelikož záření, které pozorujeme z aktivních galaktických jader, pochází právě z extrémně zahřátého plynu, změny v jeho pohybu a rozložení mohou vést k pozorovatelným efektům například ve formě pravidelných změn jasnosti nebo detekovatelných velmi rychlých výtoků.

Pomocí obecně-relativistických magneto-hydrodynamických simulací studujeme interakci mezi prolétávajícím objektem a akreujicím plazmatem, abychom identifikovali typické znaky takových systémů a mohli je rozpoznat z dat poskytovaných rentgenovými satelity.

Magneto-hydro-dynamické simulace ve sluneční atmosféře pomocí nespojité Galerkinovy metody konečných prvků

Výzva: 23. Veřejná grantová soutěž; OPEN-23-47
Hlavní řešitel: Jan Kotek
Instituce: Astronomický ústav AV ČR
Oblast: Astrofyzika

S rostoucím významem elektroniky a družic pro lidstvo se zvyšuje vliv sluneční aktivity na naši společnost. V zimě například společnost SpaceX přišla o 40 družic po jedné sluneční erupci následované výronem koronální hmoty a geomagnetickou bouří. Protože Slunce se do laboratoře nevejde, používáme k jeho poznání počítačové experimenty. Porovnáním výsledků simulací s pozorováními můžeme ověřit naše hypotézy.  V projektu jsme použili vlastní software k modelování procesů ve sluneční atmosféře, mj. k simulaci rekonexe magnetického pole, která vede ke sluneční erupci. Na obrázku také můžete vidět řezy 3D modelem sluneční atmosféry nad sluneční skvrnou (siločáry magnetického pole a poměr magnetického tlaku a tlaku plazmatu), který je využíván k modelování šíření vln. 3D simulace jsou výpočetně náročné a bez superpočítačů a efektivních metod by bylo prakticky nemožné je provádět.

Hydrodynamické interakce planet s protoplanetárními disky a původ těsných exoplanetárních soustav

Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ondřej Chrenko, Ph.D.

Instituce: Astronomický ústav Univerzity Karlovy v Praze
Oblast: Astrofyzika

Obrázek: Teplota plynu na vnitřním okraji protoplanetárního disku (v řezu k oběžné rovině disku; celý disk si můžeme představit „roztočením“ obrázku kolem svislé osy).

Astronomická pozorování v uplynulých letech umožnila detekci tisíců planet mimo naši sluneční soustavu, takzvaných exoplanet, jejichž původ zahaluje celá řada otázek. Početnou skupinu exoplanet tvoří planety s krátkou oběžnou dobou (tedy obíhající v těsné blízkosti mateřské hvězdy), jejichž hmotnosti typicky dosahují několika hmotností Země (označují se jako superzemě nebo minineptuny).

V projektu budeme provádět počítačové hydrodynamické simulace raného vývoje takovýchto planet vnořených v zárodečném plynoprachovém disku. Budeme studovat proces migrace planet, kdy gravitace struktur vznikajících v disku mění oběžné dráhy planet.

Cílem projektu je pochopit, za jakých podmínek mohou superzemě a minineptuny „domigrovat“ na oběžné dráhy s krátkou oběžnou dobou. Abychom správně modelovali prostředí, ve kterém se planety vyvíjejí, je třeba realisticky popsat fyzikální podmínky na vnitřním okraji plynného disku (viz obrázek). Rozložení plynu na vnitřním okraji disku závisí na souhře mnoha procesů, jako je zahřívání zářením mateřské hvězdy, magnetohydrodynamická turbulence, přenos energie zářivou difuzí, vypařování prachových zrn a s ním související (ne)průhlednost prostředí.

EXPANZE SUPERNOV V BLÍZKOSTI GALAKTICKÉHO CENTRA

Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Barnabas Barna

Instituce: Astronomický ústav Akademie věd ČR
Oblast: Astrofyzika

Výbuchy supernovy jsou jedny z nejenergetičtějších událostí ve vesmíru. Tato kataklyzmatická hvězdná úmrtí uvolňují chemicky obohacený materiál, který expanduje vysokou rychlostí do okolního prostoru. Výsledná bublina pak zametá okolní mezihvězdnou hmotu a vytvoří obálku o hmotnosti několika stovek sluncí. Tímto hraje důležitou roli v procesu tvorby hvězd, kdy expandující bubliny spouští vznik dalších hvězdných generací. Mezihvězdná hmota může být expandujícími obálkami dopravena do těsné blízkosti centrální obří černé díry, a tak zvýšit její aktivitu. Zda je tento scénář zodpovědný za projevy obří černé díry v Mléčné dráze však nelze potvrdit především díky nízké aktivitě této nejbližší obří černé díry. Simulace vývoje obálek a vliv počátečních a okrajových podmínek vyžaduje numerické metody. Barnabas Barna a jeho spolupracovníci plánují získané jádrohodiny využít na hydrodynamické simulace s kódem FLASH ve 3D. Cílem je prozkoumat interakci mezihvězdného prostředí s expandující obálkou. Výsledky budou porovnány s pozorováními: např. dnešní rozložení zbytků supernovy budou porovnávat se silnými rentgenovými záblesky v minulosti.

Vznik planet shlukováním balvanů

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ondřej Chrenko, Ph.D.

Instituce: Astronomický ústav Univerzity Karlovy v Praze
Oblast: Astrofyzika

Ondřej Chrenko získal více než 600 000 jádrohodin výpočetního času na projekt, ve kterém se bude zabývat procesy provázejícími vznik planet. Podle moderních scénářů planety vznikají akumulací balvanů o velikosti centimetr až metr, jejichž dynamika je ovlivněna aerodynamickým třením o okolní plynný disk. Toto tření jednak způsobuje radiální drift balvanů v disku a rovněž zvyšuje účinnost gravitačního zachycení balvanů rostoucí planetou. Pokud však planeta dosáhne jisté kritické hmotnosti, vytvoří v plynném disku tlakovou bariéru, ve které se balvany začnou hromadit, a růst planety ustane. Cílem tohoto projektu je prozkoumat vývoj balvanů hromadících se v tlakové bariéře. Ondřej Chrenko použije superpočítače centra IT4Innovations k 2D a 3D simulacím systému dvou tekutin (reprezentujících plyn a pevné částice), aby ověřil, zda v tlakové bariéře dochází k hydrodynamickým nestabilitám. Tyto nestability by mohly koncentrovat balvany do shluků, umožnit jejich gravitační kolaps a vytvořit tak zárodek zcela nové planety. Cílem projektu je prostudovat pomocí lokálních simulací s vysokým rozlišením, zda uvnitř tlakové bariéry může docházet k hydrodynamickým nestabilitám, jako např. na obrázku vpravo (pozn. obr. vpravo je převzat z článku Benítez-Llambay a kol. 2019).

VLIV HMOTNÝCH HVĚZD NA SLOŽENÍ KULOVÝCH HVĚZokup

Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Michail Kourniotis

Instituce: Astronomický ústav AV ČR
Oblast: Astrofyzika

Michalis Kourniotis z Astronomického ústavu AV ČR získal pro výzkum vlivu hmotných hvězd na složení hvězdokup 718 000 jádrohodin našeho výpočetního času. Kulové hvězdokupy jsou koncentrace hvězd sférického tvaru o velikostech řádově desítek světelných let, které obsahují statisíce až miliony velmi starých hvězd. Typicky se nacházejí ve sférickém halu Mléčné dráhy a dalších galaxií. Původně se předpokládalo, že se skládají ze stejně starých hvězd, ale nedávno bylo zjištěno, že jsou hostiteli několika generací hvězd různého věku a chemického složení. Numerické metody pro simulaci nestacionárního větru ve hvězdokupách jsou použity pro získání znalostí o chování plynu uvnitř mladé hvězdokupy, především o tepelné nestabilitě, která může vést ke vzniku nových hvězd. Nejnovější modely vývoje hvězd poskytují základní vstupní parametry pro určení množství hmoty a energie, které do hvězdokupy vkládají hmotné hvězdy ve formě extrémně rychlých hvězdných větrů a výbuchů supernov. Michail Kourniotis s kolegy Richardem Wünschem a Barnabásem Barnou využijí superpočítač k vytvoření 3D simulací s vysokým rozlišením, které poskytnou informace o vzniku několika hvězdných generací v kulových hvězdokupách. Cílem projektu je rovněž studium vlivu extrémních typů hvězd na vývoj větru ve hvězdokupách a jeho prostorovém rozložení.

FORMOVÁNÍ PLANETÁRNÍCH SYSTÉMŮ

Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Ondřej Chrenko

Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Astrofyzika

Může vzniknout život na planetách objevených mimo naši sluneční soustavu (exoplanetách)? Jedním z dílčích kroků k nalezení odpovědi na tuto otázku je pochopení vzniku exoplanet a jejich soustav. Možné scénáře vzniku exoplanetárních systémů bude hledat Dr. Ondřej Chrenko z Univerzity Karlovy v projektu Formování planetárních systémů. Na výzkumu spolupracuje s dalšími českými astronomy, doc. Miroslavem Brožem a Dr. Davidem Nesvorným (působícím v USA), a rovněž s observatoří ve švédském Lundu. Pomocí výpočetních simulací na superpočítačích v IT4Innovations bude studovat vznik planetárních embryí a jejich dynamický vývoj v plynoprachových discích rotujících kolem mladých hvězd.