Ερευνητές στις ΗΠΑ χρησιμοποίησαν υπερυπολογιστές για να αποκτήσουν γνώσεις σχετικά με την προέλευση του ηλιακού ανέμου. Πρόκειται για μια ροή σωματιδίων υψηλής ενέργειας από τον Ήλιο που μπορεί να βλάψει τους δορυφόρους, να απειλήσει τους αστροναύτες και ακόμη και να διαταράξει τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα στη Γη.
Οι εκπομπές αυτών των φορτισμένων σωματιδίων είναι γενικά δύσκολο να προβλεφθούν επειδή είναι το αποτέλεσμα πολύπλοκων μη γραμμικών διεργασιών που συμβαίνουν στο στέμμα του Ήλιου - την εξωτερική ατμόσφαιρα του άστρου μας. Το στέμμα είναι ένα εξαιρετικά καυτό πλάσμα ιονισμένων σωματιδίων που δεν μπορούν να αναπαραχθούν σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον. Τώρα, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη έχουν αναπτύξει μια μέθοδο για την πρόβλεψη αυτών των γεγονότων με υπερυπολογιστές.
«Δεδομένου ότι έχουμε περιορισμένο μόνο αριθμό μετρήσεων των ιδιοτήτων του πλάσματος κοντά στον Ήλιο, υπάρχουν σημαντικές αβεβαιότητες στη γνώση των φυσικών ιδιοτήτων του πλάσματος», λέει. Λούκα Κομισό, συν-συγγραφέας με Lorenzo Sironi έκθεσης που περιγράφει την έρευνα. «Αυτές οι αβεβαιότητες ενισχύονται δραματικά από μη γραμμικές διεργασίες, όπως κρούσεις, μαγνητική επανασύνδεση και αναταράξεις».
Η αβεβαιότητα των αρχικών συνθηκών του πλάσματος, σε συνδυασμό με την πολυπλοκότητα των μη γραμμικών διεργασιών που εμπλέκονται στην επιτάχυνση των ηλιακών σωματιδίων, καθιστούν αυτό το πρόβλημα δύσκολο να λυθεί. Έτσι, χρησιμοποιήθηκε μια προσέγγιση που βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε νέες μεθόδους υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC).
Μοναδικό στην επιτυχία του
Φυσικά, το HPC δεν είναι πανάκεια που επιτρέπει στον χρήστη να λάβει την απάντηση σε οποιαδήποτε ερώτηση του κάνει. Οι άνθρωποι προσπάθησαν –και απέτυχαν– να χρησιμοποιήσουν τον υπερυπολογιστή για να λύσουν αυτό το πρόβλημα στο παρελθόν. Η προσπάθεια των Comisso και Sironi ήταν μοναδική στην επιτυχία της.
Ένα πρόβλημα με το οποίο αγωνίστηκαν οι επιστήμονες ήταν να εξηγήσουν πώς τα σωματίδια υψηλής ενέργειας επιταχύνονται από τη χαμηλότερη θερμική ενέργεια του πλάσματος. Εάν ορισμένα σωματίδια επιταχυνθούν πρώτα από μια άγνωστη διαδικασία, ορισμένες διεργασίες πλάσματος, όπως οι κραδασμοί, μπορούν να επιταχύνουν περαιτέρω αυτά τα σωματίδια στις ενέργειες που απειλούν τους δορυφόρους και τους αστροναύτες. Η πρόκληση είναι να κατανοήσουμε αυτή την αρχική επιτάχυνση.
«Το βασικό άλυτο πρόβλημα εδώ ήταν να καταλάβουμε πώς κάποια σωματίδια θα μπορούσαν να αρχίσουν να παίρνουν ενέργεια από το μηδέν», λέει ο Comisso. «Μια σημαντική πιθανότητα ήταν να εξετάσουμε τις επιπτώσεις των αναταράξεων στο πλάσμα, καθώς το πλάσμα αναμένεται να είναι σε τυρβώδη κατάσταση στην ατμόσφαιρα του Ήλιου. Για να αναλύσουμε αυτή την πιθανότητα και να δούμε αν λειτουργεί πραγματικά, χρειάζεται να λύσουμε σύνθετες μη γραμμικές εξισώσεις».
Πολύπλοκος υπολογισμός
Η επίλυση αυτών των εξισώσεων απαιτεί πόρους HPC και το δίδυμο βασίστηκε σε αυτό μέθοδος σωματιδίων σε κύτταρο να περιγράψει τη διαδικασία της επιτάχυνσης των σωματιδίων σε ένα τυρβώδες πλάσμα. Για να απλοποιήσει έναν πολύπλοκο υπολογισμό, αυτή η διαδικασία ακολουθεί τις τροχιές των ηλεκτρονίων και των ιόντων σε αυτοσυνεπή ηλεκτρομαγνητικά πεδία που υπολογίζονται σε ένα σταθερό υπολογιστικό πλέγμα.
Για να απλοποιηθεί το πρόβλημα, προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν προσεγγίσεις που θόλωσαν τα τελικά αποτελέσματα. Ο Comisso λέει ότι η τελευταία τους δουλειά ήταν μοναδικά ικανή να δείξει ότι οι αναταράξεις στην εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου παρέχουν την αρχική επιτάχυνση. Επιπλέον, το αποτέλεσμά τους επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας μια αυστηρή μέθοδο που δεν χρησιμοποιούσε προηγούμενες προσεγγίσεις.
Οι προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας για αυτήν την εργασία πραγματοποιήθηκαν σε NASA Πλειάδες υπερυπολογιστής στη NASA και το Υπερυπολογιστής Cori στο Εθνικό Επιστημονικό Υπολογιστικό Κέντρο Έρευνας Ενέργειας των ΗΠΑ. Και στις δύο μηχανές, οι ερευνητές έτρεξαν κώδικα σωματιδίων σε κύτταρο χρησιμοποιώντας μεταξύ 50,000-100,000 κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU) και περίπου 1500 κόμβους για κάθε προσομοίωση. Αυτός ο σημαντικός υπολογιστικός πόρος χρειαζόταν για να παρακολουθεί τα σχεδόν 200 δισεκατομμύρια σωματίδια που συμμετείχαν σε κάθε προσομοίωση.
Προστασία της εξερεύνησης του διαστήματος
Αυτή η έρευνα φαίνεται ότι θα παίξει ζωτικό ρόλο στην ενίσχυση της κατανόησής μας για την ακτινοβολία που αποτελεί απειλή για τους αστροναύτες και τα διαστημόπλοια.
Τι θα συμβεί αν χτυπήσει μια ηλιακή υπερ-καταιγίδα;
«Αυτά τα σωματίδια υψηλής ενέργειας ενέχουν κινδύνους για τους ανθρώπους που βρίσκονται έξω από το προστατευτικό κάλυμμα της μαγνητόσφαιρας της Γης», λέει ο Comisso. «Ουσιαστικά, ο Ήλιος περνά από φάσεις ισχυρής δραστηριότητας που μπορούν να προκαλέσουν μεγάλα ηλιακά ενεργειακά συμβάντα σωματιδίων, με σημαντική ένταση πρωτονίων υψηλής ενέργειας. Η μεγάλη ένταση πρωτονίων υψηλής ενέργειας αποτελεί κίνδυνο ακτινοβολίας για τους εκτεθειμένους ανθρώπους. Οι μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας θέτουν τους αστροναύτες σε σημαντική αύξηση του κινδύνου καρκίνου και πιθανώς του θανάτου».
Ωστόσο, οι επιπτώσεις αυτής της έρευνας φτάνουν πέρα από αυτό. Όπως επισημαίνει ο Comisso, ο Ήλιος δεν είναι το μόνο αστροφυσικό αντικείμενο που μπορεί να μελετηθεί με αυτή τη μέθοδο. Για παράδειγμα, τα σωματίδια επιταχύνονται κοντά σε άλλα ουράνια αντικείμενα, όπως αστέρια νετρονίων και μαύρες τρύπες.
«Νομίζω ότι γρατσουνίσαμε μόνο την επιφάνεια του τι μπορούν να μας πουν οι προσομοιώσεις υπερυπολογιστών για το πώς μπορούν να ενεργοποιηθούν τα σωματίδια σε ένα τυρβώδες πλάσμα», λέει ο Comisso.
Η έρευνα περιγράφεται στο Τα περιοδικά αστροφυσικής.
