Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat käyttäneet supertietokoneita saadakseen näkemyksiä aurinkotuulen alkuperästä. Tämä on Auringosta peräisin olevien korkeaenergisten hiukkasten virta, joka voi vahingoittaa satelliitteja, uhata astronauteja ja jopa häiritä maan sähkö- ja elektroniikkajärjestelmiä.
Näiden varautuneiden hiukkasten päästöjä on yleensä vaikea ennustaa, koska ne ovat seurausta monimutkaisista epälineaarisista prosesseista, jotka tapahtuvat Auringon koronassa – tähtemme ulkoilmakehässä. Korona on erittäin kuuma ionisoitujen hiukkasten plasma, jota ei voida tuottaa kontrolloidussa laboratorioympäristössä. Nyt New Yorkin Columbian yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän näiden tapahtumien ennustamiseen supertietokoneiden avulla.
"Koska meillä on vain rajoitettu määrä mittauksia plasman ominaisuuksista Auringon läheisyydessä, plasman fysikaalisten ominaisuuksien tiedossa on merkittäviä epävarmuustekijöitä", sanoo Luca Comisso, kirjoittaja kanssa Lorenzo Sironi tutkimusta kuvaavasta raportista. "Epälineaariset prosessit, kuten iskut, magneettinen uudelleenkytkentä ja turbulenssi, lisäävät näitä epävarmuustekijöitä dramaattisesti."
Plasman alkuolosuhteiden epävarmuus yhdistettynä aurinkohiukkasten kiihtymiseen liittyvien epälineaaristen prosessien monimutkaisuuteen tekee tästä vaikean ongelman ratkaista. Siten käytettiin lähestymistapaa, joka nojaa voimakkaasti uusiin korkean suorituskyvyn laskennan (HPC) menetelmiin.
Ainutlaatuinen menestyksellään
HPC ei tietenkään ole ihmelääke, jonka avulla käyttäjä voi saada vastauksen kaikkiin esittämiinsä kysymyksiin. Ihmiset ovat yrittäneet – ja epäonnistuneet – käyttää supertietokoneita tämän ongelman ratkaisemiseen aiemmin. Comisson ja Sironin yritys oli menestyksellään ainutlaatuinen.
Yksi ongelma, jonka kanssa tutkijat ovat kamppailleet, oli selittää, kuinka korkeaenergiset hiukkaset kiihtyvät plasman alhaisemmasta lämpöenergiasta. Jos joitain hiukkasia kiihdytetään ensin tuntemattomalla prosessilla, tietyt plasmaprosessit, kuten shokit, voivat edelleen kiihdyttää näitä hiukkasia energioihin, jotka uhkaavat satelliitteja ja astronautteja. Haasteena on ymmärtää tämä alkukiihtyvyys.
"Tässä keskeisin ratkaisematon ongelma oli ymmärtää, kuinka jotkut hiukkaset voivat alkaa saada energiaa "tyhjästä", sanoo Comisso. ”Suuri mahdollisuus oli tutkia turbulenssin vaikutuksia plasmassa, koska plasman odotetaan olevan turbulenttisessa tilassa Auringon ilmakehässä. Tämän mahdollisuuden analysoimiseksi ja sen tarkastamiseksi, toimiiko se todella, on ratkaistava monimutkaiset epälineaariset yhtälöt."
Monimutkainen laskelma
Näiden yhtälöiden ratkaiseminen vaatii HPC-resursseja ja kaksikko luotti siihen hiukkanen solussa -menetelmä kuvaamaan hiukkaskiihtymisprosessia turbulentissa plasmassa. Monimutkaisen laskelman yksinkertaistamiseksi tämä prosessi seuraa elektronien ja ionien liikeradat itseyhdenmukaisissa sähkömagneettisissa kentissä, jotka on laskettu kiinteässä laskentaverkossa.
Ongelman yksinkertaistamiseksi aikaisemmissa tutkimuksissa käytettiin likiarvoja, jotka mutahtivat lopputuloksia. Comisso sanoo, että heidän viimeisin työnsä pystyi ainutlaatuisella tavalla osoittamaan, että Auringon ulkoilmakehän turbulenssi tarjoaa alkukiihtyvyyden. Lisäksi niiden tulos saavutettiin käyttämällä tiukkaa menetelmää, joka ei käyttänyt aikaisempia approksimaatioita.
Tämän työn laajamittaiset simulaatiot suoritettiin NASA:lla Seulaset supertietokone NASA:ssa ja Cori supertietokone Yhdysvaltain National Energy Research Scientific Computing Centerissä. Molemmissa koneissa tutkijat suorittivat hiukkasia solussa käyttämällä 50,000 100,000–1500 200 keskusyksikköä (CPU) ja noin XNUMX XNUMX solmua kussakin simulaatiossa. Tätä merkittävää laskentaresurssia tarvittiin, jotta voidaan seurata kussakin simulaatiossa mukana olevia lähes XNUMX miljardia hiukkasta.
Avaruustutkimuksen suojaaminen
Tällä tutkimuksella näyttää olevan ratkaiseva rooli ymmärryksemme lisäämisessä astronauteille ja avaruusaluksille uhkaavasta säteilystä.
Entä jos aurinkoinen supermyrsky iskee?
"Nämä korkeaenergiset hiukkaset aiheuttavat riskejä ihmisille, jotka ovat Maan magnetosfäärin suojakannen ulkopuolella", Comisso sanoo. "Pohjimmiltaan Aurinko käy läpi voimakkaan toiminnan vaiheita, jotka voivat aiheuttaa suuria aurinkoenergiahiukkastapahtumia, joissa on merkittävä intensiteetti korkean energian protoneja. Suurienergisten protonien suuri intensiteetti on säteilyvaara altistuneille ihmisille. Suuret säteilyannokset lisäävät astronautit merkittävästi syöpäriskiä ja mahdollisesti kuolemaa."
Tämän tutkimuksen vaikutukset ulottuvat kuitenkin tätä pidemmälle. Kuten Comisso huomauttaa, aurinko ei ole ainoa astrofysiikka, jota voidaan tutkia tällä menetelmällä. Esimerkiksi hiukkaset kiihtyvät muiden taivaankappaleiden, kuten neutronitähtien ja mustien aukkojen, läheisyydessä.
"Luulen, että raapuimme vain pintaa siitä, mitä supertietokonesimulaatiot voivat kertoa meille siitä, kuinka hiukkasia voidaan energisoida turbulentissa plasmassa", Comisso sanoo.
Tutkimusta kuvataan Astrophysical Journal Letters.
