미국의 연구원들은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 태양풍의 기원에 대한 통찰력을 얻었습니다. 이것은 위성을 손상시키고 우주 비행사를 위협하며 지구의 전기 및 전자 시스템을 방해할 수 있는 태양의 고에너지 입자 플럭스입니다.
이러한 하전 입자의 방출은 일반적으로 우리 별의 외부 대기인 태양의 코로나에서 발생하는 복잡한 비선형 과정의 결과이기 때문에 예측하기 어렵습니다. 코로나는 통제된 실험실 환경에서 재생할 수 없는 이온화된 입자의 극도로 뜨거운 플라즈마입니다. 이제 뉴욕시에 있는 Columbia University의 과학자들은 슈퍼컴퓨터로 이러한 사건을 예측하는 방법을 개발했습니다.
"우리는 태양 근처에서 플라즈마 특성에 대한 측정값이 제한되어 있기 때문에 플라즈마의 물리적 특성에 대한 지식에 상당한 불확실성이 있습니다."라고 말합니다. 루카 코미소, 공동 저자 로렌조 시로니 연구를 설명하는 보고서입니다. "이러한 불확실성은 충격, 자기 재결합 및 난류와 같은 비선형 프로세스에 의해 극적으로 증폭됩니다."
플라즈마의 초기 조건의 불확실성과 태양 입자의 가속과 관련된 비선형 프로세스의 복잡성이 결합되어 이를 해결하기 어려운 문제로 만듭니다. 따라서 새로운 고성능 컴퓨팅(HPC) 방법에 크게 의존하는 접근 방식이 사용되었습니다.
독특한 성공
물론 HPC는 사용자가 질문하는 모든 질문에 대한 답변을 받을 수 있는 만병통치약이 아닙니다. 사람들은 이전에 이 문제를 해결하기 위해 슈퍼컴퓨팅을 사용하려고 시도했지만 실패했습니다. Comisso와 Sironi의 시도는 성공에 있어 독특했습니다.
과학자들이 고심했던 한 가지 문제는 고에너지 입자가 플라즈마의 더 낮은 열 에너지에서 어떻게 가속되는지를 설명하는 것이었습니다. 일부 입자가 알려지지 않은 프로세스에 의해 처음 가속되면 충격과 같은 특정 플라즈마 프로세스가 이러한 입자를 추가로 가속하여 위성과 우주 비행사를 위협하는 에너지로 만들 수 있습니다. 문제는 초기 가속을 이해하는 것입니다.
Comisso는 "여기서 해결되지 않은 주요 문제는 일부 입자가 '처음부터' 에너지를 얻기 시작할 수 있는 방법을 이해하는 것이었습니다."라고 말했습니다. “주요 가능성은 플라즈마가 태양 대기에서 난류 상태에 있을 것으로 예상되기 때문에 플라즈마의 난류 효과를 조사하는 것이었습니다. 이 가능성을 분석하고 그것이 실제로 작동하는지 확인하려면 복잡한 비선형 방정식을 풀어야 합니다."
복잡한 계산
이러한 방정식을 풀려면 HPC 리소스가 필요하며 듀오는 세포내 입자법 난류 플라즈마에서 입자 가속 과정을 설명합니다. 복잡한 계산을 단순화하기 위해 이 프로세스는 고정된 계산 그리드에서 계산된 자체 일관된 전자기장의 전자 및 이온 궤적을 따릅니다.
문제를 단순화하기 위해 이전 연구에서는 최종 결과를 흐리게 하는 근사치를 사용했습니다. Comisso는 그들의 최신 연구가 태양 외부 대기의 난류가 초기 가속을 제공한다는 것을 유일하게 보여줄 수 있었다고 말합니다. 또한, 이전 근사치를 사용하지 않은 엄격한 방법을 사용하여 결과를 얻었습니다.
이 작업을 위한 대규모 시뮬레이션은 NASA의 Pleiades NASA의 슈퍼컴퓨터와 코리 슈퍼컴퓨터 미국 국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터. 두 시스템 모두에서 연구원들은 각 시뮬레이션에 대해 50,000~100,000개의 중앙 처리 장치(CPU)와 약 1500개의 노드를 사용하여 셀 내 입자 코드를 실행했습니다. 각 시뮬레이션에 포함된 거의 200억 개의 입자를 추적하려면 이러한 상당한 컴퓨팅 리소스가 필요했습니다.
우주 탐사 보호
이 연구는 우주 비행사와 우주선에 위협이 되는 방사선에 대한 이해를 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 보입니다.
태양 슈퍼 폭풍이 친다면?
"이러한 고에너지 입자는 지구 자기권의 보호 덮개 밖에 있는 인간에게 위험을 초래합니다."라고 Comisso는 말합니다. "기본적으로 태양은 상당한 강도의 고에너지 양성자와 함께 대규모 태양 에너지 입자 이벤트를 일으킬 수 있는 강력한 활동 단계를 거칩니다. 고에너지 양성자의 큰 강도는 노출된 인간에게 방사선 위험입니다. 높은 방사선량으로 인해 우주인은 암 위험이 크게 증가하고 사망할 수도 있습니다.”
그러나 이 연구의 의미는 그 이상에 이른다. Comisso가 지적했듯이 이 방법으로 연구할 수 있는 천체는 태양만이 아닙니다. 예를 들어 입자는 중성자별이나 블랙홀과 같은 다른 천체 근처에서 가속됩니다.
"나는 우리가 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션이 어떻게 난류 플라즈마에서 입자에 에너지를 공급할 수 있는지에 대해 말할 수 있는 것의 표면만을 긁었다고 생각합니다."라고 말합니다.
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 천체 물리학 저널 편지.
