استخدم الباحثون في الولايات المتحدة أجهزة الكمبيوتر العملاقة لاكتساب نظرة ثاقبة حول أصول الرياح الشمسية. هذا تدفق للجسيمات عالية الطاقة من الشمس يمكن أن يدمر الأقمار الصناعية ويهدد رواد الفضاء بل ويعطل الأنظمة الكهربائية والإلكترونية على الأرض.
يصعب بشكل عام التنبؤ بانبعاثات هذه الجسيمات المشحونة لأنها نتيجة لعمليات معقدة غير خطية تحدث في هالة الشمس - الغلاف الجوي الخارجي لنجمنا. الهالة عبارة عن بلازما شديدة السخونة من الجسيمات المتأينة التي لا يمكن إعادة إنتاجها في بيئة معملية خاضعة للرقابة. الآن ، طور العلماء في جامعة كولومبيا في مدينة نيويورك طريقة للتنبؤ بهذه الأحداث باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة.
"نظرًا لأن لدينا عددًا محدودًا فقط من مقاييس خصائص البلازما بالقرب من الشمس ، فهناك شكوك كبيرة في معرفة الخصائص الفيزيائية للبلازما" ، كما يقول لوكا كوميسو، مؤلف مشارك مع لورنزو سيروني من التقرير الذي يصف البحث. "تتفاقم هذه الشكوك بشكل كبير من خلال العمليات غير الخطية، مثل الصدمات، وإعادة الاتصال المغناطيسي، والاضطرابات."
إن عدم اليقين في الظروف الأولية للبلازما ، جنبًا إلى جنب مع تعقيد العمليات غير الخطية التي تشارك في تسريع الجسيمات الشمسية ، يجعل من الصعب حل هذه المشكلة. وبالتالي ، تم استخدام نهج يعتمد بشكل كبير على أساليب الحوسبة عالية الأداء الجديدة (HPC).
فريد في نجاحه
بالطبع ، HPC ليس حلاً سحريًا يسمح للمستخدم بتلقي إجابة على أي سؤال يطرحه. لقد حاول الناس - وفشلوا - في استخدام الحوسبة الفائقة لحل هذه المشكلة من قبل. كانت محاولة كوميسو وسيروني فريدة من نوعها في نجاحها.
كانت إحدى المشكلات التي كافح العلماء لحلها هي شرح كيفية تسريع الجسيمات عالية الطاقة من الطاقة الحرارية المنخفضة للبلازما. إذا تم تسريع بعض الجسيمات أولاً بواسطة عملية غير معروفة ، فإن بعض عمليات البلازما مثل الصدمات يمكن أن تزيد من تسريع هذه الجسيمات إلى الطاقات التي تهدد الأقمار الصناعية ورواد الفضاء. التحدي هو فهم ذلك التسارع الأولي.
يقول كوميسو: "المشكلة الرئيسية التي لم يتم حلها هنا هي فهم كيف يمكن لبعض الجسيمات أن تبدأ في اكتساب الطاقة من الصفر". "كان الاحتمال الرئيسي هو النظر في تأثيرات الاضطراب في البلازما حيث من المتوقع أن تكون البلازما في حالة مضطربة في الغلاف الجوي للشمس. ولتحليل هذا الاحتمال ومعرفة ما إذا كان يعمل بالفعل، يحتاج المرء إلى حل المعادلات غير الخطية المعقدة.
حساب معقد
يتطلب حل هذه المعادلات موارد HPC واعتمد الثنائي على طريقة الجسيمات في الخلية لوصف عملية تسارع الجسيمات في بلازما مضطربة. لتبسيط عملية حسابية معقدة ، تتبع هذه العملية مسارات الإلكترونات والأيونات في المجالات الكهرومغناطيسية المتسقة ذاتيًا والمحسوبة على شبكة حسابية ثابتة.
لتبسيط المشكلة ، استخدمت الدراسات السابقة تقديرات تقريبية شوهت النتائج النهائية. يقول كوميسو إن أحدث عمل لهم كان قادرًا بشكل فريد على إظهار أن الاضطراب في الغلاف الجوي الخارجي للشمس يوفر التسارع الأولي. علاوة على ذلك ، تم تحقيق نتائجهم باستخدام طريقة صارمة لم تستخدم التقديرات السابقة.
تم إجراء عمليات المحاكاة واسعة النطاق لهذا العمل على وكالة ناسا الثريا كمبيوتر عملاق في وكالة ناسا و كمبيوتر عملاق كوري في مركز الحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة الوطنية بالولايات المتحدة. في كلا الجهازين، قام الباحثون بتشغيل كود الجسيمات في الخلية باستخدام ما بين 50,000 إلى 100,000 وحدة معالجة مركزية (CPUs) وحوالي 1500 عقدة لكل محاكاة. وكانت هناك حاجة إلى هذا المورد الحاسوبي الكبير لتتبع ما يقرب من 200 مليار جسيم شاركت في كل محاكاة.
حماية استكشاف الفضاء
يبدو أن هذا البحث سيلعب دورًا حيويًا في تعزيز فهمنا للإشعاع الذي يشكل تهديدًا لرواد الفضاء والمركبات الفضائية.
ماذا لو ضربت عاصفة شمسية عملاقة؟
يقول كوميسو: "تشكل هذه الجسيمات عالية الطاقة مخاطر على البشر خارج الغطاء الواقي للغلاف المغناطيسي للأرض". "بشكل أساسي ، تمر الشمس بمراحل من النشاط القوي والتي يمكن أن تؤدي إلى أحداث جسيمات كبيرة للطاقة الشمسية ، مع كثافة كبيرة من البروتونات عالية الطاقة. الكثافة الكبيرة للبروتونات عالية الطاقة هي خطر إشعاعي على البشر المعرضين. جرعات الإشعاع الكبيرة تضع رواد الفضاء في زيادة كبيرة في خطر الإصابة بالسرطان وربما الموت ".
ومع ذلك ، فإن الآثار المترتبة على هذا البحث تتجاوز ذلك. كما يشير كوميسو ، فإن الشمس ليست الجسم الفيزيائي الفلكي الوحيد الذي يمكن دراسته بهذه الطريقة. على سبيل المثال ، تتسارع الجسيمات بالقرب من الأجرام السماوية الأخرى مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.
يقول كوميسو: "أعتقد أننا خدشنا فقط السطح الذي يمكن أن تخبرنا به محاكاة الحواسيب العملاقة عن كيفية تنشيط الجسيمات في بلازما مضطربة".
تم وصف البحث في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية.
