Para peneliti di AS telah menggunakan superkomputer untuk mendapatkan wawasan tentang asal usul angin matahari. Ini adalah fluks partikel berenergi tinggi dari Matahari yang dapat merusak satelit, mengancam astronot, dan bahkan mengganggu sistem listrik dan elektronik di Bumi.
Emisi partikel bermuatan ini umumnya sulit diprediksi karena merupakan hasil proses nonlinier kompleks yang terjadi di korona Matahari – atmosfer luar bintang kita. Korona adalah plasma partikel terionisasi yang sangat panas yang tidak dapat direproduksi dalam lingkungan laboratorium yang terkontrol. Sekarang, para ilmuwan di Universitas Columbia di New York City telah mengembangkan metode untuk memprediksi peristiwa ini dengan superkomputer.
"Karena kita hanya memiliki sejumlah ukuran sifat plasma di sekitar Matahari, ada ketidakpastian yang signifikan dalam pengetahuan tentang sifat fisik plasma," kata Luca Comisso, penulis bersama dengan Lorenzo Sironi laporan yang menggambarkan penelitian tersebut. “Ketidakpastian ini secara dramatis diperkuat oleh proses nonlinier, seperti guncangan, rekoneksi magnetik, dan turbulensi.”
Ketidakpastian kondisi awal plasma, dikombinasikan dengan kompleksitas proses nonlinier yang terlibat dalam percepatan partikel matahari, membuat masalah ini sulit dipecahkan. Dengan demikian, pendekatan yang sangat bergantung pada metode komputasi kinerja tinggi (HPC) baru digunakan.
Unik dalam kesuksesannya
Tentu saja, HPC bukanlah obat mujarab yang memungkinkan pengguna untuk menerima jawaban atas setiap pertanyaan yang mereka ajukan. Orang-orang telah mencoba – dan gagal – menggunakan superkomputer untuk memecahkan masalah ini sebelumnya. Upaya Comisso dan Sironi unik dalam keberhasilannya.
Salah satu masalah yang dihadapi para ilmuwan adalah menjelaskan bagaimana partikel berenergi tinggi dipercepat dari energi panas plasma yang lebih rendah. Jika beberapa partikel pertama kali dipercepat oleh proses yang tidak diketahui, proses plasma tertentu seperti kejutan dapat lebih mempercepat partikel-partikel ini ke energi yang mengancam satelit dan astronot. Tantangannya adalah memahami percepatan awal itu.
“Masalah utama yang belum terselesaikan di sini adalah memahami bagaimana beberapa partikel dapat memperoleh energi dari awal,” kata Comisso. “Kemungkinan besarnya adalah melihat dampak turbulensi pada plasma karena plasma diperkirakan berada dalam keadaan turbulensi di atmosfer Matahari. Untuk menganalisis kemungkinan ini dan melihat apakah ini benar-benar berhasil, kita perlu menyelesaikan persamaan nonlinier yang kompleks.”
Perhitungan yang rumit
Memecahkan persamaan ini menuntut sumber daya HPC dan keduanya mengandalkan metode partikel-dalam-sel untuk menggambarkan proses percepatan partikel dalam plasma turbulen. Untuk menyederhanakan perhitungan yang kompleks, proses ini mengikuti lintasan elektron dan ion dalam medan elektromagnetik yang konsisten yang dihitung pada grid komputasi tetap.
Untuk menyederhanakan masalah, penelitian sebelumnya menggunakan pendekatan yang memperkeruh hasil akhir. Comisso mengatakan bahwa karya terbaru mereka secara unik mampu menunjukkan bahwa turbulensi di atmosfer luar Matahari memberikan percepatan awal. Selanjutnya, hasil mereka dicapai dengan menggunakan metode ketat yang tidak menggunakan pendekatan sebelumnya.
Simulasi skala besar untuk pekerjaan ini dilakukan di NASA Pleiades superkomputer di NASA dan Superkomputer Cori di Pusat Komputasi Ilmiah Penelitian Energi Nasional AS. Di kedua mesin tersebut, para peneliti menjalankan kode partikel dalam sel menggunakan antara 50,000–100,000 unit pemrosesan pusat (CPU) dan sekitar 1500 node untuk setiap simulasi. Sumber daya komputasi yang besar ini diperlukan untuk melacak hampir 200 miliar partikel yang terlibat dalam setiap simulasi.
Melindungi eksplorasi ruang angkasa
Penelitian ini tampaknya akan memainkan peran penting dalam meningkatkan pemahaman kita tentang radiasi yang menjadi ancaman bagi astronot dan pesawat ruang angkasa.
Bagaimana jika badai super matahari menghantam?
"Partikel berenergi tinggi ini menimbulkan risiko bagi manusia yang berada di luar lapisan pelindung magnetosfer Bumi," kata Comisso. “Pada dasarnya, Matahari melewati fase aktivitas kuat yang dapat menimbulkan peristiwa partikel energi matahari besar, dengan intensitas proton energi tinggi yang signifikan. Intensitas besar proton energi tinggi merupakan bahaya radiasi bagi manusia yang terpapar. Dosis radiasi yang besar menempatkan astronot pada peningkatan risiko kanker yang signifikan dan kemungkinan kematian.”
Namun, implikasi dari penelitian ini mencapai lebih dari itu. Seperti yang ditunjukkan Comisso, Matahari bukan satu-satunya objek astrofisika yang dapat dipelajari dengan metode ini. Misalnya, partikel dipercepat di dekat benda langit lainnya seperti bintang neutron dan lubang hitam.
“Saya pikir kami hanya menggores permukaan dari apa yang dapat diceritakan oleh simulasi superkomputer kepada kami tentang bagaimana partikel dapat diberi energi dalam plasma yang bergejolak,” kata Comisso.
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Surat Jurnal Astrofisika.
