Ciencias de la Tierra (plan 2011) 2023-1

Obligatorias de Orientación, Taller de Investigación en Ciencias Espaciales I

Horario elegido:

• Miércoles de 10 a 12
• Miércoles de 4 a 6
• Viernes de 4 a 6

Más reuniones individuales con los estudiantes.

Descripción

El estudio de la formación planetaria constituye uno de los campos de investigación más activos y con más rápido crecimiento en la astrofísica moderna. Esto se debe a que las observaciones de los objetos del sistema solar, de exoplanetas y de los discos protoplanetarios han revelado que existe una gran diversidad de objetos y estructuras que retan a las teorías conocidas sobre la formación de planetas.

El objetivo de este curso será brindar al estudiante una visión general sobre la física detrás de los procesos de formación planetaria tal como la entendemos hoy en día y cómo ésta se relaciona con los sistemas planetarios que conocemos. Esto se hará a través de dos grandes ejes que se irán presentando de una manera alternada a lo largo de los dos niveles del taller:

1. Una presentación de la física de los discos protoplanetarios, de las interacciones planeta-disco, y de la formación planetaria (planetas telúricos y jovianos).
2. Una introducción a los métodos numéricos que se realizan para estudiar los procesos de formación planetaria (sean de la física de los discos protoplanetarios, con simulaciones hidrodinámicas; o de dinámica de varios cuerpos, con un código N-cuerpos).

La idea del taller consiste en ilustrar el material teórico mediante varios experimentos numéricos. Estas simulaciones se realizarán con el código magnetohidrodinámico FARGO3D y con el código de N-Cuerpos REBOUND. Para emplear estos códigos los alumnos irán adquiriendo soltura en los lenguajes de programación C y CUDA, además de Python para el procesamiento de los resultados de las simulaciones.

Es importante notar que si bien la clase estará enfocada en esta rama de las ciencias planetarias, el curso proporcionará a los alumnos sólidas herramientas para: 1) el estudio de otros procesos que ocurren en los sistemas planetarios y, 2) formarse como programadores o desarrolladores en su futuro académico o laboral.

Temario y forma de trabajo

El material se abordará de la siguiente manera:

Nivel 1 del taller

Introducción al cómputo científico

1. Manejo de datos con Python.
   • Tuplas, listas, y diccionarios.
   • Funciones y bibliotecas.
   • Numpy.
   • Interactuando con archivos (loadtxt, genfromtxt, pandas).
   • Creación de gráficos con Matplotlib.
2. Programación con C.
   • Variables y funciones.
   • Punteros y manejo de la memoria.
3. Programación con CUDA.
   • Jerarquía de núcleos y multiprocesadores.
   • Jerarquía de bloques e hilos.
   • Concepción de un kernel CUDA.

Discos protoplanetarios

1. Introducción a la física de los discos protoplanetarios.
   • Repaso de nociones de hidrodinámica.
   • Equilibrio hidrostático de un disco.
   • Equilibrio rotacional de un disco.
2. Simulaciones hidrodinámicas de un disco protoplanetario.
   • Presentación de un algoritmo de resolución de las ecuaciones de la hidrodinámica.
   • Presentación del código FARGO3D.
   • Presentación de varios problemas para que los alumnos los resuelvan.

Nivel 2 del taller

Interacciones planeta-disco

1. Interacción de marea entre un planeta y un disco: los distintos modos de migración planetaria.
2. Efectos adicionales: evolución de la excentricidad e inclinación.
3. Simulaciones hidrodinámicas de interacción entre un disco y un planeta.
   • Propiedades de la estela de marea de un planeta de baja masa.
   • Apertura de un surco por un planeta gigante.
   • Migración desbocada.

Formación planetaria.

1. Las distintas etapas de la formación planetaria.
   • Formación de planetésimos.
   • Formación y crecimiento de embriones planetarios.
   • Formación de planetas gigantes.
2. Simulaciones de N-Cuerpos sobre formación planetaria.
   • Métodos para determinar las fuerzas e integradores.
   • Presentación del código REBOUND.
   • Presentación de varios problemas para que los alumnos los resuelvan.

Al término de cada bloque, cada alumno deberá proponer un proyecto de investigación. Dicho proyecto será guíado por el equipo docente para que pueda realizarse en el periodo que comprenden los dos talleres de investigación. En dichos momentos del curso trabajaremos en forma de seminario para que los estudiantes puedan contar sus avances y aprendan de las experiencias del resto de sus compañeros.

Requerimientos

Necesitamos que los alumnos cuenten con:

• Acceso a un equipo de cómputo.
• Su cuenta de correo @ciencias para guardar los resultados de las simulaciones y procesarlos con Google Colaboratory.

Por parte del equipo docente se proporcionará a cada alumno su propia cuenta y su propio escritorio virtual en un clúster de alto rendimiento con GPUs, ubicado en el Instituto de Ciencias Físicas de la UNAM. Compartir estos escritorios entre alumnos y profesores permitirá llevar a cabo de manera eficiente las actividades numéricas de la clase.