Forscher in den USA haben mithilfe von Supercomputern Einblicke in die Ursprünge des Sonnenwinds gewonnen. Dies ist ein Fluss hochenergetischer Teilchen von der Sonne, der Satelliten beschädigen, Astronauten bedrohen und sogar elektrische und elektronische Systeme auf der Erde stören kann.
Emissionen dieser geladenen Teilchen sind im Allgemeinen schwer vorherzusagen, da sie das Ergebnis komplexer nichtlinearer Prozesse sind, die in der Korona der Sonne – der äußeren Atmosphäre unseres Sterns – ablaufen. Die Korona ist ein extrem heißes Plasma aus ionisierten Teilchen, das in einer kontrollierten Laborumgebung nicht reproduziert werden kann. Nun haben Wissenschaftler der Columbia University in New York City eine Methode entwickelt, um diese Ereignisse mit Supercomputern vorherzusagen.
„Da wir nur eine begrenzte Anzahl von Messungen der Plasmaeigenschaften in der Nähe der Sonne haben, gibt es erhebliche Unsicherheiten in der Kenntnis der physikalischen Eigenschaften des Plasmas“, sagt er Luca Comisso, Co-Autor mit Lorenzo Sironi eines Berichts, der die Forschung beschreibt. „Diese Unsicherheiten werden durch nichtlineare Prozesse wie Stöße, magnetische Wiederverbindung und Turbulenzen dramatisch verstärkt.“
Die Ungewissheit der Anfangsbedingungen des Plasmas in Kombination mit der Komplexität der nichtlinearen Prozesse, die an der Beschleunigung der Sonnenteilchen beteiligt sind, machen dies zu einem schwer zu lösenden Problem. Daher wurde ein Ansatz verwendet, der sich stark auf neue High-Performance-Computing (HPC)-Methoden stützt.
Einzigartig in seinem Erfolg
Natürlich ist HPC kein Allheilmittel, das es dem Benutzer ermöglicht, die Antwort auf jede Frage zu erhalten, die er stellt. Menschen haben schon früher versucht – und sind gescheitert –, Supercomputing einzusetzen, um dieses Problem zu lösen. Der Versuch von Comisso und Sironi war einzigartig in seinem Erfolg.
Ein Problem, mit dem Wissenschaftler zu kämpfen hatten, war zu erklären, wie die hochenergetischen Teilchen aus der geringeren thermischen Energie des Plasmas beschleunigt werden. Wenn einige Teilchen zuerst durch einen unbekannten Prozess beschleunigt werden, können bestimmte Plasmaprozesse wie Schocks diese Teilchen weiter auf die Energien beschleunigen, die Satelliten und Astronauten bedrohen. Die Herausforderung besteht darin, diese anfängliche Beschleunigung zu verstehen.
„Das wichtigste ungelöste Problem bestand darin, zu verstehen, wie einige Teilchen von Grund auf Energie gewinnen können“, sagt Comisso. „Eine wichtige Möglichkeit bestand darin, die Auswirkungen von Turbulenzen im Plasma zu untersuchen, da erwartet wird, dass sich das Plasma in der Sonnenatmosphäre in einem turbulenten Zustand befindet. Um diese Möglichkeit zu analysieren und zu sehen, ob sie wirklich funktioniert, muss man komplexe nichtlineare Gleichungen lösen.“
Komplexe Berechnung
Das Lösen dieser Gleichungen erfordert HPC-Ressourcen, und das Duo verließ sich auf die Partikel-in-Zelle-Methode den Prozess der Teilchenbeschleunigung in einem turbulenten Plasma zu beschreiben. Um eine komplexe Berechnung zu vereinfachen, folgt dieser Prozess den Bahnen von Elektronen und Ionen in selbstkonsistenten elektromagnetischen Feldern, die auf einem festen Rechengitter berechnet werden.
Um das Problem zu vereinfachen, verwendeten frühere Studien Annäherungen, die die Endergebnisse trübten. Comisso sagt, dass ihre neueste Arbeit auf einzigartige Weise zeigen konnte, dass Turbulenzen in der äußeren Atmosphäre der Sonne die anfängliche Beschleunigung liefern. Darüber hinaus wurde ihr Ergebnis unter Verwendung einer rigorosen Methode erzielt, die keine früheren Näherungen verwendete.
Die groß angelegten Simulationen für diese Arbeit wurden auf NASAs durchgeführt Plejaden Supercomputer bei der NASA und der Cori-Supercomputer am National Energy Research Scientific Computing Center der USA. In beiden Maschinen führten die Forscher Partikel-in-Zellen-Code aus, wobei sie für jede Simulation zwischen 50,000 und 100,000 Zentraleinheiten (CPUs) und etwa 1500 Knoten verwendeten. Diese beträchtliche Rechenleistung wurde benötigt, um den Überblick über die fast 200 Milliarden Partikel zu behalten, die an jeder Simulation beteiligt waren.
Schutz der Weltraumforschung
Diese Forschung wird voraussichtlich eine entscheidende Rolle dabei spielen, unser Verständnis der Strahlung zu verbessern, die eine Bedrohung für Astronauten und Raumfahrzeuge darstellt.
Was, wenn ein Sonnen-Supersturm zuschlägt?
„Diese hochenergetischen Teilchen stellen ein Risiko für Menschen dar, die sich außerhalb der schützenden Hülle der Erdmagnetosphäre befinden“, sagt Comisso. „Im Wesentlichen durchläuft die Sonne Phasen starker Aktivität, die zu großen solarenergetischen Teilchenereignissen mit einer signifikanten Intensität hochenergetischer Protonen führen können. Die große Intensität hochenergetischer Protonen ist eine Strahlengefahr für die exponierten Menschen. Hohe Strahlendosen setzen Astronauten einem signifikant erhöhten Krebsrisiko und möglicherweise dem Tod aus.“
Die Implikationen dieser Forschung reichen jedoch darüber hinaus. Wie Comisso betont, ist die Sonne nicht das einzige astrophysikalische Objekt, das mit dieser Methode untersucht werden kann. Beispielsweise werden Teilchen in der Nähe anderer Himmelsobjekte wie Neutronensterne und Schwarzer Löcher beschleunigt.
„Ich denke, wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was uns Supercomputer-Simulationen darüber sagen können, wie Teilchen in einem turbulenten Plasma energetisiert werden können“, sagt Comisso.
Die Forschung ist beschrieben in Die astrophysikalischen Zeitschriftenbriefe.
