Des simulations de superordinateurs révèlent comment le Soleil accélère les particules chargées

Des chercheurs américains ont utilisé des superordinateurs pour mieux comprendre les origines du vent solaire. Il s’agit d’un flux de particules de haute énergie provenant du Soleil qui peuvent endommager les satellites, menacer les astronautes et même perturber les systèmes électriques et électroniques de la Terre.

Les émissions de ces particules chargées sont généralement difficiles à prévoir car elles sont le résultat de processus non linéaires complexes se produisant dans la couronne solaire – l'atmosphère externe de notre étoile. La couronne est un plasma extrêmement chaud de particules ionisées qui ne peut être reproduit dans un environnement de laboratoire contrôlé. Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université Columbia de New York ont ​​développé une méthode permettant de prédire ces événements à l'aide de superordinateurs.

"Comme nous ne disposons que d'un nombre limité de mesures des propriétés du plasma à proximité du Soleil, il existe des incertitudes importantes dans la connaissance des propriétés physiques du plasma", explique Luca Comisso, co-auteur avec Laurent Sironi d'un rapport décrivant la recherche. « Ces incertitudes sont considérablement amplifiées par des processus non linéaires, comme les chocs, la reconnexion magnétique et les turbulences. »

L’incertitude des conditions initiales du plasma, combinée à la complexité des processus non linéaires impliqués dans l’accélération des particules solaires, en font un problème difficile à résoudre. Ainsi, une approche s’appuyant fortement sur les nouvelles méthodes de calcul haute performance (HPC) a été utilisée.

Unique par sa réussite

Bien entendu, le HPC n’est pas une panacée permettant à l’utilisateur de recevoir la réponse à toutes ses questions. Les gens ont déjà essayé – et échoué – d’utiliser le calcul intensif pour résoudre ce problème. La tentative de Comisso et Sironi fut unique par son succès.

L’un des problèmes auxquels les scientifiques ont dû faire face était d’expliquer comment les particules à haute énergie sont accélérées à partir de l’énergie thermique inférieure du plasma. Si certaines particules sont d'abord accélérées par un processus inconnu, certains processus plasmatiques comme les chocs peuvent encore accélérer ces particules jusqu'à atteindre des énergies qui menacent les satellites et les astronautes. Le défi est de comprendre cette accélération initiale.

«Le principal problème non résolu était de comprendre comment certaines particules pouvaient commencer à gagner de l'énergie à partir de zéro», explique Comisso. « Une possibilité majeure était d'étudier les effets de la turbulence dans le plasma, puisque celui-ci devrait être dans un état turbulent dans l'atmosphère du Soleil. Pour analyser cette possibilité et voir si elle fonctionne réellement, il faut résoudre des équations non linéaires complexes.

Calcul complexe

La résolution de ces équations nécessite des ressources HPC et le duo s'est appuyé sur le méthode particule dans cellule pour décrire le processus d'accélération des particules dans un plasma turbulent. Pour simplifier un calcul complexe, ce processus suit les trajectoires des électrons et des ions dans des champs électromagnétiques auto-cohérents calculés sur une grille de calcul fixe.

Pour simplifier le problème, des études antérieures ont utilisé des approximations qui ont brouillé les résultats finaux. Comisso affirme que leurs derniers travaux ont été les seuls à pouvoir montrer que les turbulences dans l'atmosphère extérieure du Soleil fournissent l'accélération initiale. De plus, leur résultat a été obtenu en utilisant une méthode rigoureuse qui n’utilisait pas d’approximations antérieures.

Les simulations à grande échelle pour ce travail ont été réalisées sur le satellite de la NASA Pléiades supercalculateur de la NASA et du Supercalculateur Cori au National Energy Research Scientific Computing Center des États-Unis. Dans les deux machines, les chercheurs ont exécuté un code particule dans la cellule en utilisant entre 50,000 100,000 et 1500 200 unités centrales (CPU) et environ XNUMX XNUMX nœuds pour chaque simulation. Cette ressource informatique substantielle était nécessaire pour suivre les près de XNUMX milliards de particules impliquées dans chaque simulation.

Protéger l’exploration spatiale

Cette recherche semble appelée à jouer un rôle essentiel dans l’amélioration de notre compréhension des rayonnements qui constituent une menace pour les astronautes et les engins spatiaux.

"Ces particules à haute énergie présentent des risques pour les humains qui se trouvent en dehors de la couverture protectrice de la magnétosphère terrestre", explique Comisso. « Essentiellement, le Soleil traverse des phases de forte activité qui peuvent donner lieu à de grands événements de particules énergétiques solaires, avec une intensité significative de protons de haute énergie. La grande intensité des protons de haute énergie constitue un risque de rayonnement pour les humains exposés. De fortes doses de rayonnement exposent les astronautes à un risque accru de cancer, voire de décès.

Cependant, les implications de cette recherche vont au-delà de cela. Comme le souligne Comisso, le Soleil n’est pas le seul objet astrophysique pouvant être étudié avec cette méthode. Par exemple, les particules sont accélérées à proximité d’autres objets célestes tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs.

"Je pense que nous n'avons fait qu'effleurer ce que les simulations sur ordinateur peuvent nous dire sur la manière dont les particules peuvent être dynamisées dans un plasma turbulent", explique Comisso.

La recherche est décrite dans Les lettres du journal astrophysique.