شبیه سازی های ابررایانه ای نشان می دهد که خورشید چگونه ذرات باردار را شتاب می دهد

محققان در ایالات متحده از ابر رایانه‌ها برای به دست آوردن بینشی در مورد منشأ باد خورشیدی استفاده کرده‌اند. این جریانی از ذرات پرانرژی خورشید است که می تواند به ماهواره ها آسیب برساند، فضانوردان را تهدید کند و حتی سیستم های الکتریکی و الکترونیکی روی زمین را مختل کند.

پیش‌بینی انتشار این ذرات باردار معمولاً دشوار است، زیرا آنها نتیجه فرآیندهای غیرخطی پیچیده‌ای هستند که در تاج خورشید - جو بیرونی ستاره ما - رخ می‌دهند. تاج یک پلاسمای بسیار داغ از ذرات یونیزه است که در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده قابل تکثیر نیست. اکنون، دانشمندان دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک روشی را برای پیش‌بینی این رویدادها با ابررایانه‌ها ابداع کرده‌اند.

از آنجایی که ما فقط تعداد محدودی از معیارهای خواص پلاسما را در مجاورت خورشید داریم، عدم قطعیت های قابل توجهی در دانش خواص فیزیکی پلاسما وجود دارد. لوکا کومیسو، نویسنده مشترک با لورنزو سیرونی گزارشی که تحقیق را تشریح می کند. این عدم قطعیت ها به طور چشمگیری توسط فرآیندهای غیرخطی مانند شوک، اتصال مجدد مغناطیسی و آشفتگی تقویت می شوند.

عدم قطعیت شرایط اولیه پلاسما، همراه با پیچیدگی فرآیندهای غیرخطی که در شتاب ذرات خورشیدی دخیل هستند، حل این مشکل را به مشکل تبدیل کرده است. بنابراین، رویکردی که به شدت بر روش‌های جدید محاسباتی با کارایی بالا (HPC) متکی است استفاده شد.

در موفقیت خود بی نظیر است

البته HPC نوشدارویی نیست که به کاربر اجازه دهد پاسخ هر سوالی را که بپرسد دریافت کند. مردم قبلاً سعی کرده اند - و شکست خورده اند - از ابر رایانه برای حل این مشکل استفاده کنند. تلاش کومیسو و سیرونی در موفقیت خود بی نظیر بود.

یکی از مشکلاتی که دانشمندان با آن دست و پنجه نرم کردند، توضیح این بود که چگونه ذرات پرانرژی از انرژی حرارتی پایین‌تر پلاسما شتاب می‌گیرند. اگر برخی از ذرات ابتدا توسط یک فرآیند ناشناخته شتاب داده شوند، برخی فرآیندهای پلاسما مانند شوک ها می توانند این ذرات را به انرژی هایی که ماهواره ها و فضانوردان را تهدید می کنند، شتاب دهند. چالش درک این شتاب اولیه است.

کومیسو می‌گوید: «مشکل کلیدی حل‌نشده در اینجا این بود که بفهمیم چگونه برخی از ذرات می‌توانند از ابتدا انرژی بگیرند. یک امکان عمده بررسی اثرات تلاطم در پلاسما بود، زیرا انتظار می‌رود که پلاسما در حالت متلاطم در جو خورشید باشد. برای تجزیه و تحلیل این احتمال و دیدن اینکه آیا واقعا کار می کند، باید معادلات غیرخطی پیچیده را حل کرد.

محاسبه پیچیده

حل این معادلات به منابع HPC نیاز دارد و دوتایی بر آن تکیه کردند روش ذره در سلول برای توصیف فرآیند شتاب ذرات در پلاسمای متلاطم. برای ساده کردن یک محاسبات پیچیده، این فرآیند از مسیرهای الکترون‌ها و یون‌ها در میدان‌های الکترومغناطیسی خودسازگار محاسبه‌شده بر روی یک شبکه محاسباتی ثابت پیروی می‌کند.

برای ساده کردن مشکل، مطالعات قبلی از تقریب هایی استفاده کردند که نتایج نهایی را مخدوش کرد. کومیسو می گوید که آخرین کار آنها به طور منحصر به فردی توانست نشان دهد که تلاطم در جو بیرونی خورشید شتاب اولیه را فراهم می کند. علاوه بر این، نتیجه آنها با استفاده از روشی دقیق به دست آمد که از تقریب های قبلی استفاده نمی کرد.

شبیه سازی در مقیاس بزرگ برای این کار در ناسا انجام شد پیاده ها ابر رایانه در ناسا و ابر کامپیوتر کوری در مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ایالات متحده. در هر دو ماشین، محققان کد ذره در سلول را با استفاده از 50,000 تا 100,000 واحد پردازش مرکزی (CPU) و حدود 1500 گره برای هر شبیه‌سازی اجرا کردند. این منبع محاسباتی قابل توجه برای پیگیری نزدیک به 200 میلیارد ذره که در هر شبیه سازی درگیر بودند مورد نیاز بود.

حفاظت از اکتشافات فضایی

به نظر می رسد این تحقیق نقشی حیاتی در تقویت درک ما از تشعشعاتی که تهدیدی برای فضانوردان و فضاپیماها هستند، ایفا کند.

کومیسو می گوید: «این ذرات پرانرژی برای انسان هایی که خارج از پوشش محافظ مغناطیس کره زمین هستند، خطراتی ایجاد می کنند. اساساً، خورشید مراحلی از فعالیت قوی را طی می کند که می تواند منجر به رویدادهای بزرگ ذرات پرانرژی خورشیدی، با شدت قابل توجهی از پروتون های انرژی بالا شود. شدت زیاد پروتون های انرژی بالا برای انسان در معرض تشعشعات خطرناک است. دوزهای پرتوهای زیاد فضانوردان را در معرض خطر ابتلا به سرطان و احتمالاً مرگ قرار می دهد.

با این حال، پیامدهای این تحقیق فراتر از آن است. همانطور که کومیسو اشاره می کند، خورشید تنها شی اخترفیزیکی نیست که می توان با این روش مطالعه کرد. به عنوان مثال، ذرات در مجاورت سایر اجرام آسمانی مانند ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها شتاب می گیرند.

کومیسو می‌گوید: «من فکر می‌کنم ما فقط سطح چیزی را که شبیه‌سازی‌های ابررایانه می‌توانند به ما در مورد چگونگی انرژی‌دهی به ذرات در پلاسمای متلاطم به ما بگویند، خراشیدیم.

تحقیق در شرح داده شده است مجلات Astrophysical Journal.