USA teadlased on kasutanud superarvuteid, et saada ülevaade päikesetuule päritolust. See on Päikesest pärit suure energiaga osakeste voog, mis võib kahjustada satelliite, ohustada astronaute ja isegi häirida Maa elektri- ja elektroonikasüsteeme.
Nende laetud osakeste emissioone on üldiselt raske ennustada, kuna need on Päikese kroonis – meie tähe välisatmosfääris – toimuvate keerukate mittelineaarsete protsesside tulemus. Koroon on äärmiselt kuum plasma ioniseeritud osakestest, mida ei ole võimalik kontrollitud laborikeskkonnas reprodutseerida. Nüüd on New Yorgi Columbia ülikooli teadlased välja töötanud meetodi nende sündmuste ennustamiseks superarvutitega.
"Kuna meil on vaid piiratud arv mõõtmisi plasma omaduste kohta Päikese läheduses, on plasma füüsikaliste omaduste tundmises märkimisväärne ebakindlus," ütleb ta. Luca Comisso, kaasautor koos Lorenzo Sironi uuringut kirjeldavast aruandest. "Neid ebakindlusi võimendavad dramaatiliselt mittelineaarsed protsessid, nagu löögid, magnetiline taasühendamine ja turbulents."
Plasma algtingimuste määramatus koos päikeseosakeste kiirendamisega seotud mittelineaarsete protsesside keerukusega muudab selle probleemi lahendamiseks keeruliseks. Seega kasutati lähenemisviisi, mis tugineb suuresti uutele kõrgjõudlusega andmetöötluse (HPC) meetoditele.
Ainulaadne oma edu poolest
Loomulikult ei ole HPC imerohi, mis võimaldab kasutajal saada vastuse igale tema esitatud küsimusele. Inimesed on proovinud – ja ebaõnnestunud – kasutada superarvutit selle probleemi lahendamiseks varemgi. Comisso ja Sironi katse oli oma edu poolest ainulaadne.
Üks probleem, millega teadlased on vaeva näinud, oli selgitada, kuidas suure energiaga osakesi kiirendatakse plasma madalamast soojusenergiast. Kui mõnda osakest esmalt kiirendatakse tundmatu protsessiga, võivad teatud plasmaprotsessid, näiteks šokid, neid osakesi veelgi kiirendada energiani, mis ohustab satelliite ja astronaute. Väljakutse on mõista seda esialgset kiirendust.
"Põhiline lahendamata probleem oli mõista, kuidas mõned osakesed võivad hakata "nullist" energiat koguma, " ütleb Comisso. "Põhiline võimalus oli uurida turbulentsi mõju plasmas, kuna plasma on Päikese atmosfääris eeldatavasti turbulentses olekus. Selle võimaluse analüüsimiseks ja selle kontrollimiseks, kas see tõesti töötab, tuleb lahendada keerulised mittelineaarsed võrrandid.
Keeruline arvutus
Nende võrrandite lahendamine nõuab HPC ressursse ja duo tugines sellele osake rakus meetod osakeste kiirenemise protsessi kirjeldamiseks turbulentses plasmas. Keerulise arvutuse lihtsustamiseks järgib see protsess elektronide ja ioonide trajektoore isekonsistentsetes elektromagnetväljades, mis on arvutatud fikseeritud arvutusvõrgul.
Probleemi lihtsustamiseks kasutasid varasemad uuringud lähendusi, mis muutsid lõpptulemusi. Comisso ütleb, et nende viimane töö suutis ainulaadselt näidata, et Päikese välisatmosfääri turbulents annab esialgse kiirenduse. Lisaks saavutati nende tulemus range meetodiga, mis ei kasutanud varasemaid lähendusi.
Selle töö suuremahulised simulatsioonid viidi läbi NASA-s Plejaadid superarvuti NASA-s ja Cori superarvuti USA riiklikus energiauuringute teaduslikus arvutuskeskuses. Mõlemas masinas kasutasid teadlased osakeste rakkude koodi, kasutades iga simulatsiooni jaoks 50,000 100,000–1500 200 keskprotsessorit (CPU) ja umbes XNUMX sõlme. Seda märkimisväärset arvutusressurssi oli vaja igas simulatsioonis osalenud peaaegu XNUMX miljardi osakese jälgimiseks.
Kosmoseuuringute kaitsmine
See uurimus näib mängivat olulist rolli meie arusaamise suurendamisel astronautidele ja kosmoseaparaatidele ohtu kujutavast kiirgusest.
Mis siis, kui tabab päikese supertorm?
"Need suure energiaga osakesed kujutavad endast ohtu inimestele, kes asuvad väljaspool Maa magnetosfääri kaitsekatet," ütleb Comisso. "Põhimõtteliselt läbib Päike tugeva aktiivsuse faase, mis võivad põhjustada suuri päikeseenergia osakesi sündmusi, millel on märkimisväärne kõrge energiaga prootonite intensiivsus. Kõrge energiaga prootonite suur intensiivsus kujutab endast kiirgusohtu kokkupuutuvatele inimestele. Suured kiirgusdoosid suurendavad astronautidel märkimisväärselt vähiriski ja võib-olla ka surma.
Selle uuringu tagajärjed ulatuvad aga sellest kaugemale. Nagu Comisso märgib, ei ole Päike ainus astrofüüsiline objekt, mida selle meetodiga saab uurida. Näiteks kiirendatakse osakesi teiste taevaobjektide, näiteks neutrontähtede ja mustade aukude läheduses.
"Ma arvan, et me ainult kriimustasime pinda selle kohta, mida superarvuti simulatsioonid võivad meile öelda selle kohta, kuidas osakesi saab turbulentses plasmas pingestada, " ütleb Comisso.
Uuringut kirjeldatakse artiklis Astrophysical Journal Letters.
