Forskere i USA har brugt supercomputere til at få indsigt i solvindens oprindelse. Dette er en strøm af højenergipartikler fra Solen, der kan beskadige satellitter, true astronauter og endda forstyrre elektriske og elektroniske systemer på Jorden.
Emissioner af disse ladede partikler er generelt svære at forudsige, fordi de er resultatet af komplekse ikke-lineære processer, der forekommer i Solens korona – vores stjernes ydre atmosfære. Coronaen er et ekstremt varmt plasma af ioniserede partikler, som ikke kan reproduceres i et kontrolleret laboratoriemiljø. Nu har forskere ved Columbia University i New York City udviklet en metode til at forudsige disse begivenheder med supercomputere.
"Da vi kun har et begrænset antal mål for plasmaegenskaberne i nærheden af Solen, er der betydelige usikkerheder i kendskabet til plasmaets fysiske egenskaber," siger Luca Comiso, medforfatter med Lorenzo Sironi af en rapport, der beskriver forskningen. "Disse usikkerheder forstærkes dramatisk af ikke-lineære processer, såsom stød, magnetisk genforbindelse og turbulens."
Usikkerheden om plasmaets begyndelsesbetingelser kombineret med kompleksiteten af de ikke-lineære processer, der er involveret i solpartiklernes acceleration, gør dette til et svært problem at løse. Der blev således brugt en tilgang, der er stærkt afhængig af nye højtydende computermetoder (HPC).
Unik i sin succes
HPC er naturligvis ikke et universalmiddel, der giver brugeren mulighed for at modtage svaret på ethvert spørgsmål, de stiller. Folk har prøvet – og mislykkedes – at bruge supercomputing til at løse dette problem før. Comissos og Sironis forsøg var unikke i sin succes.
Et problem, som forskere har kæmpet med, var at forklare, hvordan højenergipartiklerne accelereres fra plasmaets lavere termiske energi. Hvis nogle partikler først accelereres af en ukendt proces, kan visse plasmaprocesser såsom stød yderligere accelerere disse partikler til de energier, der truer satellitter og astronauter. Udfordringen er at forstå den indledende acceleration.
"Det vigtigste uløste problem her var at forstå, hvordan nogle partikler kunne begynde at få energi fra 'bunden'," siger Comisso. "En stor mulighed var at se på virkningerne af turbulens i plasmaet, da plasmaet forventes at være i en turbulent tilstand i Solens atmosfære. For at analysere denne mulighed og se, om den virkelig virker, er man nødt til at løse komplekse ikke-lineære ligninger."
Kompleks beregning
At løse disse ligninger kræver HPC-ressourcer, og duoen stolede på partikel-i-celle metode at beskrive processen med partikelacceleration i et turbulent plasma. For at forenkle en kompleks beregning følger denne proces banerne for elektroner og ioner i selvkonsistente elektromagnetiske felter beregnet på et fast beregningsnet.
For at forenkle problemet anvendte tidligere undersøgelser tilnærmelser, der forvirrede slutresultaterne. Comisso siger, at deres seneste arbejde var unikt i stand til at vise, at turbulens i Solens ydre atmosfære giver den indledende acceleration. Desuden blev deres resultat opnået ved hjælp af en streng metode, der ikke anvendte tidligere tilnærmelser.
De store simuleringer til dette arbejde blev udført på NASA's Plejaderne supercomputer hos NASA og Cori supercomputer ved USA's National Energy Research Scientific Computing Center. I begge maskiner kørte forskerne partikel-i-celle-kode ved at bruge mellem 50,000-100,000 centrale behandlingsenheder (CPU'er) og omkring 1500 noder for hver simulering. Denne betydelige computerressource var nødvendig for at holde styr på de næsten 200 milliarder partikler, der var involveret i hver simulering.
Beskyttelse af udforskning af rummet
Denne forskning ser ud til at spille en afgørende rolle i at øge vores forståelse af den stråling, der udgør en trussel mod astronauter og rumfartøjer.
Hvad hvis en superstorm fra solen rammer?
"Disse højenergipartikler udgør risici for mennesker, der er uden for det beskyttende dække af Jordens magnetosfære," siger Comisso. "I bund og grund gennemgår Solen faser med stærk aktivitet, som kan give anledning til store solenergipartikelhændelser med en betydelig intensitet af højenergiprotoner. Den store intensitet af højenergiprotoner er en strålingsfare for de udsatte mennesker. Store strålingsdoser sætter astronauter i en betydelig stigning i kræftrisiko og muligvis død."
Imidlertid rækker konsekvenserne af denne forskning ud over det. Som Comiso påpeger, er Solen ikke det eneste astrofysiske objekt, der kan studeres med denne metode. For eksempel accelereres partikler i nærheden af andre himmellegemer som neutronstjerner og sorte huller.
"Jeg tror, vi kun ridsede overfladen af, hvad supercomputersimuleringer kan fortælle os om, hvordan partikler kan få energi i et turbulent plasma," siger Comisso.
Forskningen er beskrevet i The Astrophysical Journal Letters.
