Az amerikai kutatók szuperszámítógépeket használtak, hogy betekintést nyerjenek a napszél eredetébe. Ez a Napból származó nagy energiájú részecskék áramlása, amely károsíthatja a műholdakat, fenyegetheti az űrhajósokat, és megzavarhatja a Föld elektromos és elektronikus rendszereit is.
Ezeknek a töltött részecskéknek a kibocsátását általában nehéz megjósolni, mivel ezek a Nap koronájában – csillagunk külső atmoszférájában – végbemenő összetett nemlineáris folyamatok eredménye. A korona ionizált részecskék rendkívül forró plazmája, amely ellenőrzött laboratóriumi környezetben nem reprodukálható. A New York-i Columbia Egyetem tudósai most kifejlesztettek egy módszert ezen események szuperszámítógépekkel történő előrejelzésére.
"Mivel csak korlátozott számú mérésünk van a plazma tulajdonságairól a Nap közelében, jelentős bizonytalanságok vannak a plazma fizikai tulajdonságainak ismeretében" - mondja Luca Comisso, társszerzője Lorenzo Sironi egy jelentést, amely leírja a kutatást. "Ezeket a bizonytalanságokat drámai módon felerősítik a nemlineáris folyamatok, például a sokkok, a mágneses újracsatlakozás és a turbulencia."
A plazma kezdeti körülményeinek bizonytalansága, valamint a naprészecskék gyorsulásában szerepet játszó nemlineáris folyamatok összetettsége ezt a problémát nehezen megoldhatóvá teszi. Így egy olyan megközelítést alkalmaztak, amely nagymértékben támaszkodik új, nagy teljesítményű számítástechnikai (HPC) módszerekre.
Egyedülálló a sikerében
Természetesen a HPC nem csodaszer, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy bármilyen kérdésre választ kapjon. Az emberek korábban is próbálkoztak – és nem sikerült – szuperszámítógép segítségével megoldani ezt a problémát. Comisso és Sironi próbálkozása egyedülálló volt a sikerben.
Az egyik probléma, amellyel a tudósok küzdöttek, az volt, hogy elmagyarázzák, hogyan gyorsulnak fel a nagy energiájú részecskék a plazma alacsonyabb hőenergiájából. Ha egyes részecskéket először felgyorsít egy ismeretlen folyamat, bizonyos plazmafolyamatok, például sokkok tovább gyorsíthatják ezeket a részecskéket olyan energiákra, amelyek a műholdakat és az űrhajósokat fenyegetik. A kihívás az, hogy megértsük ezt a kezdeti gyorsulást.
„A legfontosabb megoldatlan probléma annak megértése volt, hogy egyes részecskék hogyan kezdhetnek el energiát nyerni „a semmiből” – mondja Comisso. „A fő lehetőség az volt, hogy megvizsgáljuk a turbulencia hatásait a plazmában, mivel a plazma várhatóan turbulens állapotban lesz a Nap légkörében. Ennek a lehetőségnek az elemzéséhez és annak megállapításához, hogy valóban működik-e, összetett nemlineáris egyenleteket kell megoldani.
Összetett számítás
Ezen egyenletek megoldása HPC erőforrásokat igényel, és a páros a részecske a sejtben módszer turbulens plazmában a részecskegyorsulás folyamatának leírására. A bonyolult számítások leegyszerűsítése érdekében ez a folyamat az elektronok és ionok pályáját követi önkonzisztens elektromágneses mezőben, amelyet egy rögzített számítási rácson számítanak ki.
A probléma egyszerűsítése érdekében a korábbi tanulmányok olyan közelítéseket alkalmaztak, amelyek elrontották a végeredményt. Comisso elmondása szerint legújabb munkájuk egyedülálló módon megmutatta, hogy a Nap külső légkörének turbulenciája biztosítja a kezdeti gyorsulást. Ezen túlmenően az eredményt szigorú módszerrel érték el, amely nem alkalmazott korábbi közelítéseket.
Ehhez a munkához a nagyszabású szimulációkat a NASA-n végezték el Fiastyúk szuperszámítógép a NASA-nál és a Cori szuperszámítógép az Egyesült Államok Nemzeti Energiakutatási Tudományos Számítástechnikai Központjában. Mindkét gépen a kutatók részecske-in-cell kódot futtattak 50,000 100,000-1500 200 központi feldolgozó egység (CPU) és körülbelül XNUMX csomópont felhasználásával minden szimulációhoz. Erre a jelentős számítási erőforrásra azért volt szükség, hogy nyomon követhessük az egyes szimulációkban részt vevő közel XNUMX milliárd részecskét.
Az űrkutatás védelme
Úgy tűnik, hogy ez a kutatás létfontosságú szerepet játszik abban, hogy jobban megértsük az űrhajósokra és űrhajókra veszélyt jelentő sugárzást.
Mi van, ha napenergia-szupervihar támad?
„Ezek a nagy energiájú részecskék kockázatot jelentenek a Föld magnetoszférájának védőburkolatán kívül eső emberek számára” – mondja Comisso. „Lényegében a Nap erős aktivitás fázisain megy keresztül, amelyek nagy napenergiájú részecskék eseményeit idézhetik elő, jelentős intenzitású, nagy energiájú protonokkal. A nagy energiájú protonok nagy intenzitása sugárzási veszélyt jelent a kitett emberek számára. A nagy sugárdózisok jelentősen megnövelik az űrhajósok rákkockázatát és esetleg halálát is.”
A kutatás következményei azonban túlmutatnak ezen. Mint Comisso rámutat, nem a Nap az egyetlen asztrofizikai objektum, amely ezzel a módszerrel tanulmányozható. Például a részecskék felgyorsulnak más égi objektumok, például neutroncsillagok és fekete lyukak közelében.
„Úgy gondolom, hogy csak a felszínét karcoltuk meg annak, amit a szuperszámítógépes szimulációk elmondhatnak nekünk arról, hogyan lehet részecskéket energiával ellátni egy turbulens plazmában” – mondja Comisso.
A kutatás leírása a Az Astrophysical Journal Letters.
