Siguiendo el flujo: partículas trazadoras en simulaciones de fluidos astrofísicos

Presentamos dos esquemas numéricos para partículas trazadoras pasivas en el código de malla móvil hidrodinámica arepo, y comparamos su rendimiento en varios problemas, desde configuraciones simples hasta simulaciones cosmológicas. El propósito de las partículas trazadoras es permitir que el flujo se siga de manera Lagrangiana, rastreando la evolución del fluido con el tiempo, y permitiendo que la historia termodinámica de parcelas de fluido individuales sea registrada. Encontramos que los ‘trazadores de campo de velocidad’ comúnmente utilizados, que son transportados utilizando el campo de velocidad del fluido, no siguen en general correctamente el flujo de masa, y explicamos por qué es así. Este método puede resultar en sesgos de orden de magnitud en simulaciones de turbulencia inducida y en simulaciones cosmológicas, lo que hace que los trazadores de campo de velocidad sean inapropiados para seguir estos flujos. Luego discutimos una implementación novedosa de ‘trazadores de Monte Carlo’, que se mueven junto con las celdas de fluido y se intercambian probabilísticamente entre ellas siguiendo el flujo de masa. Este método reproduce correctamente la distribución de masa del fluido. La principal limitación de este enfoque es que es más difuso que el fluido en sí. No obstante, mostramos que este enfoque novedoso es más confiable que el que se ha empleado anteriormente y demostramos que es apropiado para seguir flujos hidrodinámicos en códigos basados en malla. Los trazadores de Monte Carlo también pueden ser transferidos naturalmente entre celdas de fluido y otros tipos de partículas, como partículas estelares, de modo que el flujo de masa en simulaciones cosmológicas pueda ser seguido en su totalidad.