חוקרים בארה"ב השתמשו במחשבי-על כדי לקבל תובנות לגבי מקורות רוח השמש. זהו שטף של חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מהשמש שעלול לפגוע בלוויינים, לאיים על אסטרונאוטים ואף לשבש מערכות חשמל ואלקטרוניקה בכדור הארץ.
בדרך כלל קשה לחזות פליטות של חלקיקים טעונים אלה מכיוון שהן תוצאה של תהליכים לא ליניאריים מורכבים המתרחשים בקורונה של השמש - האטמוספירה החיצונית של הכוכב שלנו. הקורונה היא פלזמה חמה במיוחד של חלקיקים מיוננים שלא ניתן לשחזר בסביבת מעבדה מבוקרת. כעת, מדענים מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק פיתחו שיטה לחיזוי אירועים אלו באמצעות מחשבי-על.
"מכיוון שיש לנו רק מספר מצומצם של מדדים של תכונות הפלזמה בקרבת השמש, יש אי ודאות משמעותיות בידע על התכונות הפיזיקליות של הפלזמה", אומר לוקה קומיסו, מחבר שותף עם לורנצו סירוני של דו"ח שמתאר את המחקר. "אי הוודאות הללו מועצמים באופן דרמטי על ידי תהליכים לא ליניאריים, כמו זעזועים, חיבור מגנטי מחדש ומערבולת."
חוסר הוודאות של התנאים ההתחלתיים של הפלזמה, בשילוב עם המורכבות של התהליכים הלא ליניאריים המעורבים בהאצת חלקיקי השמש, הופכים זאת לבעיה קשה לפתרון. לפיכך, נעשה שימוש בגישה המסתמכת במידה רבה על שיטות מחשוב חדשות עם ביצועים גבוהים (HPC).
ייחודי בהצלחתו
כמובן ש-HPC אינו תרופת פלא המאפשרת למשתמש לקבל את התשובה לכל שאלה שהוא שואל. אנשים ניסו - ולא הצליחו - להשתמש בסופר מחשוב כדי לפתור בעיה זו בעבר. הניסיון של קומיסו וסירוני היה ייחודי בהצלחתו.
בעיה אחת שמדענים נאבקו בה הייתה להסביר כיצד החלקיקים עתירי האנרגיה מואצים מהאנרגיה התרמית הנמוכה יותר של הפלזמה. אם חלקיקים מסוימים מואצים לראשונה בתהליך לא ידוע, תהליכי פלזמה מסוימים כמו זעזועים יכולים להאיץ עוד יותר את החלקיקים הללו לאנרגיות המאיימות על לוויינים ואסטרונאוטים. האתגר הוא להבין את האצה הראשונית.
"הבעיה העיקרית שלא נפתרה כאן הייתה להבין איך חלקיקים מסוימים יכולים להתחיל לצבור אנרגיה מ'מאפס'", אומר קומיסו. "אפשרות מרכזית הייתה לבחון את ההשפעות של מערבולות בפלזמה מכיוון שהפלזמה צפויה להיות במצב סוער באטמוספירה של השמש. כדי לנתח את האפשרות הזו ולראות אם היא באמת עובדת, צריך לפתור משוואות לא ליניאריות מורכבות".
חישוב מורכב
פתרון המשוואות הללו דורש משאבי HPC והצמד הסתמך על שיטת חלקיקים בתא לתאר את תהליך האצת החלקיקים בפלזמה סוערת. כדי לפשט חישוב מורכב, תהליך זה עוקב אחר המסלולים של אלקטרונים ויונים בשדות אלקטרומגנטיים עקביים לעצמם המחושבים ברשת חישובית קבועה.
כדי לפשט את הבעיה, מחקרים קודמים השתמשו בקירוב שהעיבשו את התוצאות הסופיות. קומיסו אומר שהעבודה האחרונה שלהם הצליחה להראות באופן ייחודי שמערבולת באטמוספירה החיצונית של השמש מספקת את התאוצה הראשונית. יתר על כן, התוצאה שלהם הושגה בשיטה קפדנית שלא השתמשה בקירוב קודם.
ההדמיות בקנה מידה גדול לעבודה זו בוצעו על של נאס"א פליאדות מחשב העל בנאס"א וה מחשב העל של קורי במרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה של ארה"ב. בשתי המכונות, החוקרים הפעילו קוד חלקיק בתא תוך שימוש בין 50,000-100,000 יחידות עיבוד מרכזיות (CPUs) וכ-1500 צמתים עבור כל סימולציה. משאב מחשוב משמעותי זה היה נחוץ כדי לעקוב אחר כמעט 200 מיליארד החלקיקים שהיו מעורבים בכל סימולציה.
הגנה על חקר החלל
נראה כי מחקר זה משחק תפקיד חיוני בחיזוק ההבנה שלנו לגבי הקרינה המהווה איום על אסטרונאוטים וחלליות.
מה אם סופת-על סולארית תכה?
"חלקיקים עתירי אנרגיה אלו מהווים סיכונים לבני אדם שנמצאים מחוץ לכיסוי המגן של המגנטוספירה של כדור הארץ", אומר קומיסו. "בעיקרון, השמש עוברת שלבים של פעילות חזקה שיכולה להוליד אירועי חלקיקים אנרגטיים סולאריים גדולים, עם עוצמה משמעותית של פרוטונים באנרגיה גבוהה. העוצמה הגדולה של פרוטונים באנרגיה גבוהה מהווה סכנת קרינה לבני האדם החשופים. מינוני קרינה גדולים מעמידים את האסטרונאוטים בעלייה משמעותית בסיכון לסרטן ואולי למוות".
עם זאת, ההשלכות של מחקר זה מגיעות מעבר לכך. כפי שמציין קומיסו, השמש אינה העצם האסטרופיזי היחיד שניתן לחקור בשיטה זו. לדוגמה, חלקיקים מואצים בקרבת עצמים שמימיים אחרים כמו כוכבי נויטרונים וחורים שחורים.
"אני חושב שרק שרטנו את פני השטח של מה שהדמיות של מחשבי-על יכולות לספר לנו על האופן שבו ניתן להמריץ חלקיקים בפלזמה סוערת", אומר קומיסו.
המחקר מתואר ב מכתבי העיתון האסטרופיסי.
